關(guān)鍵詞:三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)構(gòu)參數(shù)
層合復(fù)合材料因?qū)拥拇嬖诙鴰砹W(xué)性能的弱點(diǎn):如易分層、開裂敏感和損傷擴(kuò)展快、沿厚度方向的剛度和強(qiáng)度低、沖擊韌性和損傷容限水平較低、抗面內(nèi)剪切強(qiáng)度低等〔1〕。編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是三維編織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它與傳統(tǒng)復(fù)合材料具有較大的區(qū)別。它的增強(qiáng)體是具有多軸纖維取向的高度整體化的連續(xù)纖維集合體。第一,三維編織復(fù)合材料的一個突出特點(diǎn)是提高了沿厚度方向的力學(xué)性能;第二,與傳統(tǒng)層合復(fù)合材料不同,三維編織復(fù)合材料由于具有多向紗線構(gòu)成空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(高度的整體性),從根本上克服了分層現(xiàn)象,并具有較好的抗沖擊韌性能和抗疲勞特性能。第三,三維編織復(fù)合材料能夠直接成型許多具有復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu),為設(shè)計和制造凈尺寸復(fù)合材料部件提供了可能,特別是與RTM 技術(shù)的結(jié)合,使得其在降低制造成本上具有潛在的優(yōu)勢。由此引起了工程界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注,并逐漸在航空航天、交通、軍工、建筑、醫(yī)療和體育器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
對紡織結(jié)構(gòu)創(chuàng)建幾何模型始于20世紀(jì)三四十年代Peirce開創(chuàng)性的工作,之后Hearle,Grosberg, Backer,Hamburger和Platt〔1〕等人在紡織結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的工作為紡織材料在工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。C.M.Pastore和F.K.Ko〔1〕認(rèn)為對紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的分析取決于對織物性能的分析,這種性能分析需要對紗線的性能、結(jié)構(gòu)、取向以及纖維體積含量等進(jìn)行量化分析。
自20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)外對三維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,對編織工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)性能之間的關(guān)系,提出了一些幾何模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。Ma等〔2〕提出了“纖維互鎖胞體模型”,在平行六面體的單元胞體內(nèi),將沿四個對角線方向排列的纖維束當(dāng)作“復(fù)合材料桿”來處理,利用應(yīng)變能原理得到簡化的三維復(fù)合材料桿系結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。Yang等〔3〕建立了“纖維傾斜模型”,利用修正的層合理論,將單元胞體簡化為4塊傾斜的單向?qū)影瀵B加而成的層板模型。Li,Hammad和EI-Shiekh〔4〕實(shí)驗(yàn)研究了預(yù)成型的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。Du等〔5〕研究了胞體的幾何特征和擠壓條件。Wu〔6〕提出了“三細(xì)胞模型”,并認(rèn)為各胞體按體積分?jǐn)?shù)所占不同比例來進(jìn)行剛度矩陣的疊和。Wang等〔7〕研究了預(yù)成型中纖維束結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫裕岢隽?/span>3種基本單元胞體:內(nèi)部胞體、表面胞體和邊角胞體。Mohajerjasbi〔8〕進(jìn)一步發(fā)展了該模型,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。李嘉祿〔9〕和孫慧玉〔10〕〔11〕等也對三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
拉伸和壓縮性能是復(fù)合材料常規(guī)性能的試驗(yàn)。由于三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能受多種因素的影響。對于編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來說,決定其性能的主要是其結(jié)構(gòu)參數(shù),而哪些參數(shù)的影響顯著,還需要進(jìn)行大量的研究工作。本工作對1×1四步法方型三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸和壓縮等項(xiàng)目的測試,在三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對其力學(xué)性能的影響方面作了一些工作。為該材料的理論和破壞行為的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。