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《三维五向编织复合材料的力学性能分析细观结构模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、http://www.paper.edu.cn三维五向编织复合材料的力学性能分析:1细观结构模型*李金超，陈利，张一帆，孙菲天津工业大学复合材料研究所，天津市和教育部共建先进纺织复合材料重点实验室，天津(300160)E-mail：chenli@tjpu.edu.cn摘要：建立合理的三维编织复合材料的细观结构模型,对其力学性能的有限元分析具有重要影响。在实验观察基础上,建立了三维五向编织复合材料的单胞模型,该模型合理地反映了纱线的交织状态和截面形状。基于该模型建立了编织工艺参数之间的几何关系。将预制件的外型尺寸和体积含量的计算值与实测值进行比较,吻合较好。
2、关键词：复合材料；编织复合材料；三维五向；单元胞体中图分类号：TB3321.引言随着三维编织复合材料应用的日益广泛,为了准确预测其力学性能,对其细观结构的深入研究显的尤为重要.特别是随着计算机的快速发展,利用有限元方法进行力学分析越来越[1-5]广泛。以往三维编织复合材料细观结构的研究主要集中在三维四向编织结构上,而三维五向编织复合材料由于第五向轴纱(以下简称为轴纱)的加入,纱线交织以及纱线间的挤压变形[6]更为复杂,相关研究较少。李典森在分析了三维五向编织物纱线运动规律的基础上，建立了三维五向编织结构的单胞模型，并推导了有关参数之间的关系，但其轴纱椭圆横
3、截面假设[7]与实验观察存在较大差异。陈利通过对三维五向编织复合材料的截面进行观察，分析了编织物纱线的排列规律及其截面形态的变化，为进一步研究材料的细观结构模型提供了依据。本文以成型后的编织复合材料为研究对象,在实验观察的基础上,基于纱线运动规律及横截面形状变化,推导了编织工艺参数之间的关系，建立了三维五向编织复合材料的有限元单元胞体模型，为进一步的有限元分析奠定了基础。2.三维五向编织原理三维五向编织复合材料是在三维四向编织复合材料的基础上,在编织过程中引入沿编织成型方向伸直不动的轴纱而形成的一种新的整体编织结构。通过加入轴纱,可以有效提高材料沿编织成型
4、方向的刚度、强度等性能。在三维五向方型编织中,携纱器在机器底盘按行和列的形式排列,主体纱的行数和列数分别用m、n表示，如图1所示。1本课题得到新世纪优秀人才支持计划（NCET-05-0254）和天津市应用基础研究计划（05YFJMJC04300）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn图1三维五向编织的纱线排列示Fig.1Arrangementoftheyarn’scarriersfor3-D5-directionalbraiding其中加筋比例为1：1，○代表挂编织纱的携纱器,△代表挂轴纱的携纱器,编织过程与四向编织复合材料相同,携纱
5、器由沿行和列的交替运动控制,四步为一循环,编织纱随着携纱器运动,而轴纱的位置保持不动。一个机器循环中获得的沿轴向的编织长度称为编织花节长度,用h标示。图1中ϕ为编织纱线的水平取向角，即内部编织纱线在水平面内的投影与预制件厚度方向的夹角,对于四步法1×1方型编织预制件，理性状态下ϕ=45°。3.几何模型的假设为了分析三维五向编织复合材料预制件的细观结构，建立以下几点假设：（1）至少在一定编织长度内编织工艺稳定；（2）经过挤压成型的编织复合材料内部的编织纱线,由于相邻纱线的作用,其横截面保持六边形,如图2所示,且其截面形状沿纱线轴线方向保持不变；（3）轴纱由于
6、受编织纱线的挤压，沿其轴线方向具有不同的横截面形状，且面积不变，所有横截面在水平面内的投影为一正方形，如图3中虚线所示；（4）相邻纱线都是互相紧密接触的,编织纱和轴纱具有不同的纱线填充因子。以上假设中,假设(2)、(3)是在实验观察做出的,为了进一步有限元分析的方便，假设（3）中轴纱与编织纱之间的挤压完全作用于轴纱,(1)、(4)则反映了编织物的实际情况。图2编织纱横截面图3轴纱横截面Fig.2Cross-sectionofbriaidingyarnFig.3Cross-sectionofAxialyarn-2-http://www.paper.edu.c
7、n4.单胞的选取和几何参数之间的关系4.1内部单胞模型对应图1所取内部单胞，通过对三维四步(1×1)方型编织过程中对纱线运动路径的分析，可得到图4所示的单元胞体的纱线结构示意图,其在空间呈周期排列,单胞取向与预制件表面平行,单胞的长、宽分别为W、T,高为花节长度h。为了分析内部纱线之间的几何关ii系,以及它们与单胞模型尺寸的关系,可从此单元胞体中提取出能够完全反映纱线间关系的分析模型,考虑到纱线实际的细度,采用CAD软件模拟出挤紧状态下两根相邻纱线接触关系的实体图,根据假设，理想状态下，接触面相切，如图5所示,其边长为a,高为花节长度h,γ是编织物的内部编
8、织角,其与内部单胞成45°夹角。图4预制件内部单胞模型图5内部区域
