三维正交机织复合材料结构与力学性能分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文AerospaceStructures”(CRC-AS)，该研究中心主要由科研单位、工业界和大学的有关机构组成，致力于三维机织复合材料在航空航天方面的应用研究。该中心在1994年更名为“CooperativeResearchCenterForAdvancedCompositeStructures”，简称CRC．ACS，扩大了三维机织复合材料在其它领域的应用研究Islo我国自20世纪80年代开始对三维机织复合材料进行研究19．“l，初步完成了相应设备的改造和研制，积累了大量织物设计和生产的经验，能够加工多种形式的立体织物，并且复合成型。对三维

2、机织复合材料的细观结构、线弹性等进行了初步研究，获得了一定的理论研究成果【17-231。但是总体来讲，我国机织复合材料的研究还不系统，理论研究与实际应用还存在相当大的距离。1．2．1织造技术研究进展使用三维机织预成型件作为复合材料的骨架材料起始于20世纪70年代，日本的FuKataI驯首先发明了三维立体织机。80年代初，英国也在常规织机上通过改进开口机构试织成功了三维机织物【吲。1988年，Mohamed等【冽发明了一种可织造矩形、“T”型、“工”型截面织物的三维多层织物设备。至此，三维机织预成型体作为一种具有典型的增强结构开始引起人们的广泛关注。到了90年代，R

3、uzand和Guenotl27】对标准的织机进行改进，在原来的基础上增加了两组垂片分别位于织物的上下两侧，且都可以上下运动，把经纱从不同角度引入织物内，同时使纱线斜向贯穿整个织物的表面，但是该方法只能在层与层之间进行锁定，而不能进行多层锁定。Farleyl28】在垂片上固定了槽针，纱线穿过槽针可在织物宽度方向上来回穿梭，垂片会在某一特殊位置使针上的纱线形成梭口，从而使纬纱由剑杆带入，从而实现多层之间的锁定。Bilisik和Mohamed[纠发展了一种多轴向三维机织技术。该技术的主要特点是经纱和偏轴纱都是从筒子向上引出，通过剑杆引入织物中，同时纬纱与绑定纱通过导针在

4、经纱与偏纱之间穿梭起到锁定作用。但是该机织工艺的偏轴纱不能在整个织物的宽度方向上穿梭。2001年，Mohamed和AE．Bogd柚ovichl301等研发了一种称之为3WeaveTM多方向进纬的新兴织造技术。该工艺技术可以使两组或多组纬纱从一边或两边同时进纬，并且还有第三组纱线(z方向)同时参与编织。整个织造过程实现全自动化，提高了生产效率，降低了成本，并且适用于异型构件的织造。易洪i再等川采用“压扁一纵造一还原”的方法，完成了“管连管”、“管套管”、“管牛管”三种典型管状彩l物颅成型件的结构与工艺i殳计。在织造过程中，利用多层钐：物织造原理，织物的竹l幢、连接J

5、JJJ等区段采川‘卜纹作为基础组织，以增加管t忙．』土接JVJg'物厚度及挺．。¨’l；!成型件结构刚度。武汉理工大学硕士学位论文张莉等1321探索了一种机织与编织结合的新的织造方法。这种方法是在编织结构基础上，在横向添加机织纱，从而增加了宽度方向上的强度；另外可以根据复合材料对某一方向上性能的要求，在该方向上加入接结纱，进而增加预制件在这个方向上的强度。该织造技术对于矩形、圆形截面的预成型件可以一次织造成型。在这些预成型件中，纤维贯穿整个预成型件的各个部分，并且相互交织，形成一个完全的整体。1．2．2细观力学模型研究进展对机织细观结构的研究可追溯到20世纪30年

6、代，Peircel33】首次定义了与机织物力学性能有关的一些几何因素，如纱线屈曲高度，纱线织造角、纱线的几何密度等。在分析平纹织物几何结构时，Pierce假设纱线截面为圆形，认为纱线完全呈柔性，不具有抗弯刚度，并据此推导出一个由几何关系式组成的方程组，但是该模型存在—些缺陷，如无法解释织物是由纱线相互作用而达到稳定的结构等。20世纪40年代到60年代，Dickson掣弭蚓很多研究者通过采用不同纱线截面形状对Pierce模型基本方程式进行修正。他们提出了跑道形纱线截面的假设，并以此为基础，讨论纱线紧密接触情况下织物的几何结构。与此同时，苏联的诺维柯夫”1研究了通过几

7、何学获得任意阶序织物构造的可能性，并给出了织物结构相和极限几何密度的概念，并根据织物切片图，得到纱线截面最接近椭圆形的结论。60年代以后，基于几何分析的织物结构力学有了更快的发展，Hearle等【蚓研究了织物的拉伸、剪切、起拱以及悬垂性能，并讨论了大变形情况下织物拉伸的弹性性能。70年代后期，由于三维正交复合材料的出现，使得人们对其几何结构的研究重新关注起来。McAllister掣39】人们初步探明了三维正交复合材料的细观结构，归纳了三维正交复合材料的设计参数，如纱线的线密度、纱线的体密度、纱线排列密度以及三个增强方向上纱束问的中心距离。根据上述参数，结合矩形纱线

8、截面假设，