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3D机织预制体准纤维尺度建模方法

复合材料学报 2024年第3期41卷 1528-1538页

作者：朱琬清谢军波吴兰芳陈利杨林刘静妍天津工业大学复合材料研究院纺织复合材料教育部重点实验室天津300387 天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387 中国运载火箭技术研究院物流中心北京100076

3D机织复合材料在航空航天领域有着广泛应用,作为复合材料的增强结构,纤维预制体的几何构造对复合材料的力学性能有着决定性影响。但预制体是一种柔性结构,在成型过程中容易发生显著的几何结构变异,包括纱线路径的变化和截面的挤压变形... 详细信息

3D机织复合材料在航空航天领域有着广泛应用,作为复合材料的增强结构,纤维预制体的几何构造对复合材料的力学性能有着决定性影响。但预制体是一种柔性结构,在成型过程中容易发生显著的几何结构变异,包括纱线路径的变化和截面的挤压变形。实现预制体的精细化、高保真度建模是对复合材料进行性能预测和结构设计的重要前提。针对碳纤维3D机织预制体的复杂纤维结构,基于虚拟纤维的概念提出了准纤维尺度建模方法,模拟了织造过程中纱线的运动和变形,实现了预制体的精确重构。利用Micro-CT技术表征了预制体样件的内部单胞结构,验证了模型的可靠性。

关键词： 3D机织预制体虚拟纤维机织复合材料 Micro-CT技术纤维结构建模

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三维针刺复合材料参数化建模及力学性能仿真

复合材料学报 2022年第9期39卷 4459-4470页

作者：陈国耀黄丰杨振宇卢子兴王浩然北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083 中国航天科工集团第六研究院四十一所呼和浩特010010

提出了一套三维针刺复合材料建模方法,并应用于针刺碳/酚醛复合材料的力学性能仿真分析。首先基于虚拟纤维技术,采用商用有限元软件ABAQUS,实现了叠层材料针刺工艺过程的数值模拟,获得了针刺区域附近的纤维丝在针刺过程中的变形规律,据... 详细信息

提出了一套三维针刺复合材料建模方法,并应用于针刺碳/酚醛复合材料的力学性能仿真分析。首先基于虚拟纤维技术,采用商用有限元软件ABAQUS,实现了叠层材料针刺工艺过程的数值模拟,获得了针刺区域附近的纤维丝在针刺过程中的变形规律,据此建立了受针刺影响区域内的纤维取向、损伤百分比与针刺工艺参数之间的关系;将这一关系引入到针刺复合材料代表性体积单元(RVE)模型中,较准确地体现真实材料中针刺区结构特征。利用此模型对材料的弹性性能、强度进行预测,结果与实验值吻合良好,验证了模型的有效性;在此基础上,进一步讨论了针刺密度、针刺深度等参数对复合材料力学性能的影响规律。本文的研究结果对针刺复合材料的力学分析与优化设计具有一定的指导意义。

关键词：三维针刺复合材料有限元虚拟纤维弹性性能强度

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三维机织预制体弯曲性能研究

三维机织预制体弯曲性能研究

作者：郭珍珍天津工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：机织预制体弯曲性能虚拟纤维数值仿真

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新型z-pin结构设计及强度性能研究

新型z-pin结构设计及强度性能研究

作者：陈磊天津工业大学

学位级别：硕士

Z-pin增强技术通过在织物或预浸料厚度方向上植入纤维短棒或金属短棒(pin针)来改善复合材料的层间性能,该种技术工艺简单、灵活性强,因此zpin增强技术被广泛应用多种复合材料结构的层间增强。为了进一步提高z-pin的层间增韧性能,本文设... 详细信息

Z-pin增强技术通过在织物或预浸料厚度方向上植入纤维短棒或金属短棒(pin针)来改善复合材料的层间性能,该种技术工艺简单、灵活性强,因此zpin增强技术被广泛应用多种复合材料结构的层间增强。为了进一步提高z-pin的层间增韧性能,本文设计并制备了一种螺旋自锁式z-pin,通过增加z-pin与复合材料层合板的界面连接面积提高了z-pin的拔出载荷。此外由于z-pin植入部位的微细观结构十分复杂,给z-pin增强结构建模带来不小的困难,本文通过数值仿真的方法获取了高精度的z-pin增强结构模型。本文首先设计了一种z-pin拉挤模具,利用该模具对半固化的碳纤维束进行螺旋结构加工,制备了四种不同螺旋度的z-pin(包括一组无螺旋结构z-pin),并分别通过拉伸试验和拔出试验对螺旋自锁式z-pin的轴向抗拉性能及z-pin/层合板界面性能进行评价。实验结果表明,螺旋结构的设计尽管在一定程度上会减弱z-pin轴向抗拉性能,但其同时也会显著提高z-pin在层合板中的拔出力。其次本文对z-pin植入预浸料铺层的3个阶段进行了Micro-CT观测和分析。基于虚拟纤维建模技术,建立虚拟纤维平纹织物铺层。参照z-pin植入工艺,对z-pin植入织物铺层过程进行了数值仿真,获得了“准纤维”尺度上的z-pin增强结构高精度模型,以此分析了z-pin的植入对织物铺层纤维结构的影响。通过将虚拟纤维模型与CT扫描结果对比发现,二者具有很高的相似性。本文最后基于“嵌入单元”技术将虚拟纤维束嵌入至基体模型种以建立复合材料z-pin有限元模型,使用数值模拟方法对四种不同螺旋度z-pin的拉伸断裂过程进行了仿真,通过将模拟输出结果与拉伸试验结果之间的对比验证了仿真建模的精确性。本文主要围绕新型z-pin结构设计和z-pin增强结构高精度建模展开工作。基于虚拟纤维建模技术分别建立了z-pin增强结构模型和z-pin模型,并通过实验和数值方法研究了螺旋自锁式z-pin的力学性能,为z-pin设计与z-pin复合材料力学性能研究提供了理论和实验基础。

关键词： Z-pin 螺旋结构虚拟纤维嵌入单元数值模拟

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3D针刺毡虚拟重构及力学性能研究

3D针刺毡虚拟重构及力学性能研究

作者：方静天津工业大学

学位级别：硕士

针刺技术是一种生产工艺简单、低成本、可设计性强的3D(三维)纤维预制体成型技术。目前,以针刺技术制备的针刺复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。针刺毡是由纤维梳理成网并利用针刺技术加工制备而成的,针刺过程中,刺针上的... 详细信息

针刺技术是一种生产工艺简单、低成本、可设计性强的3D(三维)纤维预制体成型技术。目前,以针刺技术制备的针刺复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。针刺毡是由纤维梳理成网并利用针刺技术加工制备而成的,针刺过程中,刺针上的倒钩将纤维网上的部分面内纤维抓取到织物面外方向,使得针刺毡的纤维结构变得极其复杂。当针刺毡受外力作用发生变形时,预制体内部的纤维结构将发生很大改变,研究针刺毡的变形机理变得十分困难。准确表征针刺毡的内部几何结构,建立精细化的纤维结构模型是分析针刺毡及其增强复合材料力学性能的重要前提。但独特的3D针刺成形工艺使得针刺毡的内部纤维结构极其复杂,为精细化建模带来很大的困难。本文旨在提出一种3D纤维结构预制体的数值建模方法,研究针刺过程对预制体纤维结构的影响,实现针刺虚拟纤维毡的精细化3D虚拟重构,并利用混合单元技术构建针刺纤维毡的“准纤维”尺度力学分析模型。本文对国内外针刺预制体及其复合材料的研究现状进行了详细综述和分析,包括针刺预制体及复合材料的发展、应用、试验分析和细观结构建模方法。利用Micro-CT技术研究了针刺预制体的微细观结构,并统计分析了预制体内部纤维的长度、取向和纤维束聚集宽度等几何参数。通过实验手段研究了针刺纤维毡的拉伸和压缩力学行为,分析了织物的宏观变形特征和微细观纤维结构变形机理。提出了一种3D针刺虚拟纤维毡的精细化数值建模方法,基于统计参数实现了针刺虚拟纤维毡的3D虚拟重构,模型与Micro-CT图像具有很好的一致性。本文利用混合单元技术将杆单元和梁单元的自由度耦合,构建了混合虚拟纤维,能够准确描述真实纤维较高的抗拉刚度和较低的弯曲刚度,通过混合虚拟纤维构建了针刺纤维毡的“准纤维”尺度力学分析模型,研究了针刺纤维毡在压缩和拉载荷下的力学响应,与传统细观尺度分析模型相比,本文的提出的模型具有更高的计算精度,能够准确重现预制体内部的纤维结构变化。本课题利用虚拟纤维得到3D针刺虚拟纤维结构的精细化模型,提出的建模方法将有助于了解针刺纤维预制体的内部纤维结构。把纤维毡的针刺成形工艺、内部纤维构造和力学性能联系起来,可形成完整的3D针刺预制体力学性能分析路线,为针刺纤维结构织物的工艺设计和工程应用提供了理论指导。本文的研究成果也将进一步为针刺复合材料成型过程的树脂流动渗透性分析和针刺复合材料的力学性能研究提供良好的基础。

关键词： 3D针刺毡虚拟纤维混合单元力学性能数值仿真

三维机织预制体及其复合材料微细观建模方法研究

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三维机织预制体及其复合材料微细观建模方法研究

作者：邵梦洁天津工业大学

学位级别：硕士

三维(3D)机织复合材料因其高强度、高模量、抗冲击和重量轻等优点广泛应用于航空航天领域。3D机织复合材料的纤维预制体在厚度方向上引入了法向纱,显著提高了层间性能,与传统的二维(2D)复合材料层合板相比具有更广阔的应用前景。3D机织... 详细信息

三维(3D)机织复合材料因其高强度、高模量、抗冲击和重量轻等优点广泛应用于航空航天领域。3D机织复合材料的纤维预制体在厚度方向上引入了法向纱,显著提高了层间性能,与传统的二维(2D)复合材料层合板相比具有更广阔的应用前景。3D机织预制体由成千上万根纱线织造而成,在成型过程中预制体容易发生纱线挤压变形和错位等微细观结构变化。在固化成型阶段,预制体往往受到模具的压实作用,其纤维体积含量获得提升,同时纤维结构也会进一步发生变化。预制体复杂的微细观结构为复合材料的精细化建模和力学性能分析带来非常大困难。本课题利用Micro-CT技术系统地分析石英纤维3D机织预制体的微细观结构变异,从“准纤维”尺度建立3D机织预制体精细化模型,利用嵌入单元技术生成复合材料的纤维尺度数值分析模型,模拟复合材料在拉伸载荷下的损伤失效过程。本课题对3D机织预制体及复合材料的国内外研究现状做了概述,主要包括3D机织预制体及复合材料的微细观结构观测、建模方法以及复合材料的力学性能研究。利用Micro-CT技术对预制体的纤维结构进行重构,提出了两个几何变异系数,研究了织造参数对机织预制体细观结构的影响;制备了三种纬纱密度(2.0、2.5、3.0根/cm)的石英纤维3D机织复合材料,并通过拉伸、压缩和面内剪切实验测试了复合材料的力学性能。按照虚拟纤维-虚拟纱线-虚拟织物的顺序建立了预制体精细化的几何模型,对预制体厚度压实的过程进行了数值仿真,获得的仿真结果与Micro-CT图像相一致。本课题利用嵌入单元技术将预制体模型嵌入到基体单元中,生成了3D机织复合材料数值模型,分别建立了虚拟纤维与基体材料的失效理论判据,模拟了不同纬纱密度机织复合材料数值模型的拉伸断裂过程,将数值仿真结果与拉伸实验测试结果进行对比,验证了该数值模型的准确性。本课题利用虚拟纤维技术获得高精度的几何模型,可以反映真实预制体内部几何结构的纱线形态,并通过嵌入单元技术获得3D机织复合材料纤维尺度数值分析模型,使用实验和数值相结合的方法研究了复合材料的力学性能。研究纺织复合材料精细化建模技术,建立纺织工艺、纤维结构和复合材料力学性能之间的联系,为3D机织复合材料的结构设计和工程应用奠定了理论基础。

关键词： 3D机织复合材料 Micro-CT技术虚拟纤维嵌入单元数值仿真