三维机织预制体弯曲性能研究

作     者：郭珍珍 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢军波;乔志炜

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：机织预制体 弯曲性能 虚拟纤维 数值仿真 

摘      要：大尺寸、复杂外形的三维(3D)纺织复合材料结构件在航空航天领域有着广泛的应用前景,作为复合材料的增强体,预制体的纤维结构对复合材料的最终力学性能有着决定性影响。在异形复合材料结构件的制备过程中,纤维预制体往往会发生复杂的几何形态转换,其中弯曲变形是一种常见的变形模式,同时也是影响异形织物成型稳定性和贴附性的重要因素。织物预制体是由纤维交织组成的柔性结构,其弯曲变形机制十分复杂,目前尚无统一的实验测试标准。预制体内部纤维结构复杂,织造成型过程容易引起纱线截面挤压变形、路径变化和排布位置错动等。传统的基于连续介质力学的宏观力学模型和纱线尺度单胞分析模型难以反映预制体内部的真实纤维形态和弯曲变形机制。 本文旨在研究碳纤维3D机织预制体的弯曲变形性能,提出新型测试方法,分析预制体的宏观弯曲变形特性和微细观变形机制,研究结构参数对弯曲性能的影响规律。针对3D机织预制体纤维结构复杂、建模困难的问题,提出虚拟纤维建模技术,实现预制体的精细化建模,以此为基础开展弯曲变形过程数值仿真,复现纱线结构的形态转换过程。 本文对国内外织物预制体的研究现状进行了详细的分析和论述,包括预制体的实验测试和建模仿真方法研究,分析预制体弯曲性能研究的必要性。采用三点弯曲实验方法对碳纤维3D机织预制体进行力学测试,分析试样在三点弯曲载荷条件下的宏观力学响应和微细观变形机理,研究结构参数对弯曲性能的影响规律。针对三点弯曲测试方法的局限性,设计了一种新型“相框弯曲实验装置,利用该工装开展预制体的弯曲变形测试,并与三点弯曲实验进行对照,验证相框弯曲方法的改进效果。 利用虚拟纤维建模技术,在“准纤维尺度对织物预制体进行精细化建模,模拟纱线结构的张紧过程,获得高保真度的预制体数值分析模型。利用预制体的“准纤维尺度模型开展三点弯曲和相框弯曲两种变形过程的数值仿真,开展预制体弯曲变形前、后的Micro-CT扫描观测,验证仿真结果的准确性。通过数值仿真方法复现预制体的变形过程,揭示预制体的微细观变形机制,并形成有效的虚拟实验方法,为3D机织预制体的工艺设计和性能表征提供理论指导。