研究复合材料三维编织预成型件.doc

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1、.研究复合材料三维编织预成型件内/间层的剪切变形先进纺织复合材料的教育部重点实验室，复合材料研究所，天津工业大学，天津300387，中华人民共和国纺织和制衣部门，生物与农业工程系，美国加州大学戴维斯分校【摘要】这项研究提出了具有不同的面料密度的三维角联锁预成型件的面内剪切和层间剪切行为。对三维织物预成型件进行画框剪切试验，分析了剪切应力与剪切角度的非线性曲线和变形机理。设计了一个新的测试方法来确定的层间剪切性能表征。经过层间剪切试验后的样本，通过调查拉出的纱线和中间结构发现变形和破坏机制。结果表明织物密度对三维联锁预成型件面内剪切和层间剪切性能

2、有重要的影响，并且织物密度的增加，剪切行为减小。织物密度越低，可变形性越好。层间剪切破坏模式是从织物上引出的粘结剂纱线。希望该研究可以为建立理论模型提供试验基础。1.引言连续纤维增强复合树脂基材料引起了很多重视，这都是由于它们所具有的优势，例如高性能，加工周期短，维修和焊接的可能性[1–4]。虽然层压复合材料具有优异的面内力学性能，但是层间复合材料的应用范围因厚度受到限制，这是由于差的层间性质。三维纺织结构复合材料具有厚度优势，好的破坏误差和有利的影响，抗疲劳优点[5–9]。作为三维纺织结构加强的复合材料的一种，三维角联锁织物已被广泛地应用于工

3、程领域，归于它在传统织机简单和有效地加工[10–12]。另外，三维角联锁织物最吸引的优点是具有近终成形能力的制造复合材料[13]。三维角联锁预成型件有卓越的机械性能和好的可成形性（图1）。随着预成型技术的发展，可以生产出形状复杂和不同尺寸的结构件。Word文档.图1三维角联锁织物的半球成形在复合材料生产的结构集成制造中，三维角联锁是根据最终复合材料产品形状预成型，该形状可以是复杂的[14–16]。对于三维织物，平面内的行为和层间的行为是最重要的变形，并且剪切行为材料变形的主要模式[17〜19]。研究三维角联锁织物层内和层间的剪切行为是有价值的，

4、因为在生产中它们被广泛应用，尤其是成形工艺。二维织物的面内剪切行为已有比较好的研究。Zhu等人[20,21]通过实验测试仔细研究了二维织物面内表征特性，并且发现了发现纱线的减少是起皱的一个关键。Hivet等[22,23]使用相框测试方法]研究了二维织物剪切性能，并指出在实验过程中，剪切结果对纱线的张力敏感。拉伸力随剪切角增大而增大。Lomov等[24,25]通过相框试验提出对在三种不同预张力状态的非平衡2/2斜纹玻璃/PP织物的剪切测试，并且研究在纱线方向的拉力载荷对织物的剪切抗力的影响及可重复性的方法。基于二维Lin等人[26]建立了织物的几

5、何形状来模拟的面内剪切的有限元模型，仿真结果与实验相同。Cao等。[27]比较了相框剪切试验结果，这些结果来于用于制定标准的测试设置获得准确的和适当的材料特性的七个不同实验室的。Chen等[28]开发了有限元模型来预测层压板面内和层间的剪切性能。然而，三维角联锁织物的面内/层间的剪切行为很少有报道。Charmetant等[29]建立了半球模型来仿真三维织物成形。Word文档.在这篇文章，报道了一份仔细研究了关于不同织物密度的三维角联锁织物面内剪切和层间剪切行为。记录了剪切应力和剪切角度曲线和面内剪切测试的起皱位置，并且它们相互比较，分析了内层剪

6、切试验的应力-位移曲线。另外，面内剪切非线性曲线的三个阶段被表征。呈现层间剪切破坏形态并且被比较从而在剪切测试过程中获得三维机织物的结构效应。它可以为研究成形性和理论分析提供基础。2.实验的具体内容2.1材料图2是三维角联锁织物的图片和半球横截面。织物样本是用玻璃纤维细丝制成的。它们的规格列在表1。三维角联锁织物结构的草图示意图如图3来图解说明具体的预成型结构。对于这种架构，由三组不同的纱线系统组成，即经纱，纬纱和粘合纱，它提出了一个层到层的角联锁结构，其中经纱和纬纱都几乎直，粘合纱显示出不同的起伏，连接卷曲的纬纱层的上层和下层，使它们接合，形

7、成一个稳定的织物结构[10]。非卷曲经纱和纬纱敷设在0°/90°序列里，彼此无编织。粘合纱的线密度小于该经线和纬线的线密度，它只是在预成型体起到了部分的连接作用。这种结构特征保证了沿经线和纬线方向的高刚度和高强度。Word文档.图2三维角联锁变形照片；（a）是表面（b）是横截面表1三维角联锁变形的结构参数Word文档.图3三维角联锁变形的示意图2.2内部层剪切测试相框测试是一种有效的方式表征织物的内部层剪切性能。三维织物的剪切试验根据相框的大小，样本的特征如图4所描述。为了防止大的变形时由夹具施加在预成型件的压力，剪切变形的中心区域是100mm

8、X100mm，且四角落部份被切掉。剪切试验在岛津1kNE万能试验机器上以10mm/min的十字头速度进行的。三个样本每个结构都被测试。在实验过程中，相