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变截面三维编织异型件减纱工艺与力学性能的研究进展

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材料导报 2010年第19期24卷 104-107,116页

作者：刘兆麟俞建勇东华大学纺织学院上海201620 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室上海201620

阐述了变截面三维编织异型件的概念与应用背景,概括了异型预制件的编织原理与方法,总结了变截面编织体的减纱成型工艺并分析比较了各种方法的优缺点,探讨了异型截面及减纱工艺对复合材料细观结构与力学性能的影响,展望了变截面三维编织... 详细信息

阐述了变截面三维编织异型件的概念与应用背景,概括了异型预制件的编织原理与方法,总结了变截面编织体的减纱成型工艺并分析比较了各种方法的优缺点,探讨了异型截面及减纱工艺对复合材料细观结构与力学性能的影响,展望了变截面三维编织异型件的研究重点与发展方向。

关键词：三维编织复合材料异型截面减纱工艺细观结构力学性能

变截面三维编织复合材料的减纱工艺及弯曲性能研究

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变截面三维编织复合材料的减纱工艺及弯曲性能研究

作者：程灿灿东华大学

学位级别：硕士

三维编织复合材料因其多向纤维束的空间互锁网络结构提高了复合材料的整体性和各个方向强度的均匀性,从而能有效避免传统复合材料分层的现象,损伤容限与抗疲劳特性优异,能够有效保障结构件力学性能的稳定性,结构可设计性强,在航空航天... 详细信息

三维编织复合材料因其多向纤维束的空间互锁网络结构提高了复合材料的整体性和各个方向强度的均匀性,从而能有效避免传统复合材料分层的现象,损伤容限与抗疲劳特性优异,能够有效保障结构件力学性能的稳定性,结构可设计性强,在航空航天、国防军工、交通、建筑等领域具有广阔的应用前景。在实际应用中,绝大多数复合材料并不是等截面结构件,而是截面尺寸沿长度方向变化的变截面异形件。本论文针对四步法方型三维编织工艺只能制备等截面结构件的局限性,在现有变截面编织工艺的理论基础上,进一步研究减纱变截面工艺及变截面复合材料的弯曲力学性能。主要研究内容及结论如下研究减纱工艺原理,提出减纱单元的概念,总结减纱工艺的设计原则,并比较整列减纱工艺与逐单元减纱工艺在原理及工艺方面的异同。给出变截面三维编织棱锥套预制件这一减纱编织实例,验证减纱工艺的可行性及优越性。以整列减纱变截面预制件为研究对象,通过试验观察及理论建模研究减纱工艺对预制件减纱截面处细观结构的影响,可知减纱操作会减去一定数量的编织纱;减纱截面处编织纱运动距离增长,预制件表面及内部编织角增大;减纱对于复合材料的纤维体积含量基本不产生影响。设计三种不同的减纱方案(一种整列减纱方案,两种逐单元减纱方案),采用VARTM工艺制备减纱变截面复合材料;同时制备与减纱变截面复合材料外观尺寸相同的切削变截面复合材料及相应的等截面复合材料。对比不同试件的弯曲力学性能,得出如下结论：在纤维体积分数基本相同的情况下,减纱变截面试件的弯曲强度及弯曲模量显著高于切削变截面试件,略低于等截面试件。减纱工艺影响变截面复合材料的弯曲力学性能。利用逐单元减纱工艺制备的变截面复合材料弯曲性能明显优于通过整列减纱工艺制备的变截面复合材料;两种不同逐单元减纱方案所制备的变截面复合材料弯曲性能差异不大。研究变截面复合材料在弯曲加载过程中的断裂模式,分析各类试件的宏观断口形貌,借助扫描电子显微镜对试件的微观断口形貌进行观察,得到结论：减纱变截面复合材料的弯曲破坏主要发生在变截面区域,破坏模式表现为包括了纤维断裂、基体开裂和纤维抽拔等模式的复合型破坏,且以纤维断裂与抽拔为主要弯曲失效机制。减纱工艺对变截面复合材料弯曲破坏机理的影响主要表现为复合材料内部减纱断头处纤维的抽拔。综上所述,本文的创新之处在于通过多种减纱编织工艺实现变截面复合材料的净型制备,系统分析了变截面三维编织复合材料的减纱工艺、细观结构、弯曲力学性能及弯曲破坏机理,为进一步优化设计减纱编织工艺提供了一定的理论与试验依据。

关键词：变截面三维编织复合材料减纱工艺弯曲性能破坏机理

减纱工艺对三维编织矩形截面预制件的细观结构的影响

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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天津工业大学学报 2004年第6期23卷 16-18页

作者：傅景韫李嘉禄焦亚男天津工业大学复合材料研究所天津300160

对通过减纱工艺形成的变截面三维编织预制件的细观结构进行了研究,并采用拓扑方法进行理论分析,得到了减纱后通过减纱截面的纱线运动走向和变化规律,从而为更精确的制定异型三维编织预制件的编织工艺打下了基础.

关键词：变截面异型三维编织减纱工艺预制件细观结构

变截面三维编织预型件的净形制备工艺与细观结构

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河北科技大学学报 2011年第6期32卷 623-627页

作者：刘兆麟东华大学纺织学院上海201620 纺织面料技术教育部重点实验室上海201620

介绍变截面三维编织预型件的减纱与添纱净形制备工艺,以行单元减纱预型件为代表,观察截面缩减区域的外观形态,并建立表面与内部减纱单元的几何模型,最后讨论了减纱对纱线交织规律的影响。结果表明,保证减纱或添纱后纱线的编织规律不变... 详细信息

介绍变截面三维编织预型件的减纱与添纱净形制备工艺,以行单元减纱预型件为代表,观察截面缩减区域的外观形态,并建立表面与内部减纱单元的几何模型,最后讨论了减纱对纱线交织规律的影响。结果表明,保证减纱或添纱后纱线的编织规律不变是净形编织工艺应遵循的原则,预型件在减纱区域呈现平滑的梯形过渡,表面与内部减纱单元中纱线的编织角增大,长度增加,且减纱截面处的纱线交织点位于减纱前两相邻交织点的中心。

关键词：变截面三维编织预型件减纱工艺添纱工艺细观结构

变截面三维编织复合材料的净形制备及弯曲性能

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材料科学与工程学报 2012年第5期30卷 677-683页

作者：刘兆麟刘丽芳俞建勇东华大学纺织学院上海201620 纺织面料技术教育部重点实验室上海201620 东华大学现代纺织研究院上海200051

介绍变截面三维编织预型件的减纱净形制备工艺,通过实验观察与理论建模相结合的方法,分析减纱对预型件细观结构的影响,对比整列减纱、行单元减纱与切削复合材料在变截面区域的弯曲性能。结果表明表面与内部减纱单元是减纱时的基本单位,... 详细信息

介绍变截面三维编织预型件的减纱净形制备工艺,通过实验观察与理论建模相结合的方法,分析减纱对预型件细观结构的影响,对比整列减纱、行单元减纱与切削复合材料在变截面区域的弯曲性能。结果表明表面与内部减纱单元是减纱时的基本单位,保证编织规律不变是减纱工艺的基本原则;表面或内部单元减掉后分别会形成两组特殊的纱线轨迹,其中一组纱线的长度与编织角大小较不减纱时增大,而另一组纱线只改变编织角的方向;行单元减纱与整列减纱复合材料的弯曲性能均明显优于切削试件,且行单元减纱试件的弯曲性能比整列减纱试件略高。

关键词：变截面三维编织复合材料减纱工艺细观结构弯曲性能

三维非周期编织复合材料细观结构及拉伸失效机理研究

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三维非周期编织复合材料细观结构及拉伸失效机理研究

作者：于颂江南大学

学位级别：硕士

随着三维预成型技术的日益成熟及机械自动化程度的不断提高,以异型三维预成型体为增强骨架的编织复合材料作为主承力构件和功能构件被广泛应用于航天航空、军事防护、交通运输和海洋等领域。异型三维编织复合材料的成型方式多种多样,无... 详细信息

随着三维预成型技术的日益成熟及机械自动化程度的不断提高,以异型三维预成型体为增强骨架的编织复合材料作为主承力构件和功能构件被广泛应用于航天航空、军事防护、交通运输和海洋等领域。异型三维编织复合材料的成型方式多种多样,无论编织工艺如何变化,都会使其细观结构具有一定的非周期性,在受到外力时也会在非周期区域形成应力集中;同时在复合过程中,纤维束受到外力挤压变形使细观结构发生变化,从而影响材料的力学性能。所以,研究三维非周期编织复合材料细观结构以及预测其力学性能显得尤为重要。本文基于Micro-CT断层扫描技术和图像处理技术,构建接近材料真实内部结构的细观模型,采用有限元分析和力学试验相结合的方式,对三维编织复合材料拉伸力学行为及失效机理展开分析。主要研究内容包括:(1)基于四步法编织原理,选择整列减纱的方式,设计工艺以及结构参数,织造非周期编织预制体。采用树脂传递模塑(RTM)复合工艺,完成三维五向非周期编织复合材料的制备。同时为了对比,也设计并制备了三维五向周期性编织复合材料。(2)选用Micro-CT断层扫描技术,设置合理的扫描参数,获得多层切片图像;采用图像处理软件中的滤波、调节对比度和灰度等方法提高纤维束清晰度;把内部单元在花节高度方向均分成若干份,提取不同切片位置下编织纱和轴纱的截面轮廓,并建立坐标系对路径及截面参量进行统计分析。结果表明,编织纱截面形状、面积、周长变化不明显,截面偏转程度和挤紧程度会发生变化,轴纱截面形状随着编织进行呈三角形和扇形交替变化。同时,对非周期区域观测发现,在减纱后的一个编织循环内,减纱处内部会形成孔洞,其周围的纤维束截面形状变化多样,编织角、纤维束之间挤压程度、纤维束之间间隙均发生变化,纤维束编织密度明显减小。经过一个编织循环后所有纤维束排列规律恢复,随着花节排列,编织纱密度逐渐增大。(3)利用万能材料试验机与高速摄像机相结合的表征技术,获取三维五向非周期编织复合材料的拉伸力学行为及渐进破坏过程;在此基础上,通过Micro-CT及扫描电子显微镜(SEM)对非周期性结构试样最终破坏形貌进行观测及分析,揭示失效机理。结果表明,相比于三维周期性编织复合材料,非周期编织材料经减纱工艺后,其拉伸强度有明显下降;非周期编织复合材料主要受损区域存在于减纱位置左右两边的纤维束,减纱处只发生树脂开裂和纤维束内部单丝微小滑移,最终破坏模式以树脂开裂和纤维束抽拔为主。(4)基于Micro-CT扫描及统计分析,采用Python语言实现了更加真实细观结构模型的参数化建立,利用Voxel网格对其进行离散,施加周期性边界条件,模拟拉伸载荷条件下材料的失效模式,分析材料的损伤演化情况,并和试验结果以及现有的理想细观模型预测结果进行对比。结果表明,基于Micro-CT建立的统计模型能够精确预测其力学行为及失效过程。

关键词：三维五向编织复合材料非周期结构减纱工艺有限元分析渐进损伤拉伸失效机理