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三維編織復合材料的結構參數對其力學性能的影響

2009-05-23 來源:互聯網 瀏覽數:2951

 關鍵詞:三維編織復合材料力學性能測試結構參數 

層合復合材料因層的存在而帶來力學性能的弱點:如易分層、開裂敏感和損傷擴展快、沿厚度方向的剛度和強度低、沖擊韌性和損傷容限水平較低、抗面內剪切強度低等1。編織結構復合材料是三維編織技術和現代復合材料技術相結合的產物,它與傳統復合材料具有較大的區別。它的增強體是具有多軸纖維取向的高度整體化的連續纖維集合體。第一,三維編織復合材料的一個突出特點是提高了沿厚度方向的力學性能;第二,與傳統層合復合材料不同,三維編織復合材料由于具有多向紗線構成空間互鎖網狀結構(高度的整體性),從根本上克服了分層現象,并具有較好的抗沖擊韌性能和抗疲勞特性能。第三,三維編織復合材料能夠直接成型許多具有復雜形狀的結構,為設計和制造凈尺寸復合材料部件提供了可能,特別是與RTM 技術的結合,使得其在降低制造成本上具有潛在的優勢。由此引起了工程界和學術界的極大關注,并逐漸在航空航天、交通、軍工、建筑、醫療和體育器材等領域得到廣泛應用。

對紡織結構創建幾何模型始于20世紀三四十年代Peirce開創性的工作,之后Hearle,Grosberg, Backer,HamburgerPlatt1等人在紡織結構力學方面的工作為紡織材料在工程結構上的應用奠定了基礎。C.M.PastoreF.K.Ko1認為對紡織結構復合材料力學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、結構、取向以及纖維體積含量等進行量化分析。
20世紀80年代以來,國內外對三維編織結構復合材料已經進行了大量的研究工作,對編織工藝參數、結構參數和力學性能之間的關系,提出了一些幾何模型及相應的數學模型。Ma2提出了“纖維互鎖胞體模型”,在平行六面體的單元胞體內,將沿四個對角線方向排列的纖維束當作“復合材料桿”來處理,利用應變能原理得到簡化的三維復合材料桿系結構力學模型。Yang3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塊傾斜的單向層板疊加而成的層板模型。Li,HammadEI-Shiekh4實驗研究了預成型的細觀結構。Du5研究了胞體的幾何特征和擠壓條件。Wu6提出了“三細胞模型”,并認為各胞體按體積分數所占不同比例來進行剛度矩陣的疊和。Wang7研究了預成型中纖維束結構的拓撲性,提出了3種基本單元胞體:內部胞體、表面胞體和邊角胞體。Mohajerjasbi8進一步發展了該模型,并進行了試驗驗證。李嘉祿9和孫慧玉10〕〔11等也對三維編織復合材料進行了試驗研究。
拉伸和壓縮性能是復合材料常規性能的試驗。由于三維編織復合材料力學性能受多種因素的影響。對于編織結構復合材料來說,決定其性能的主要是其結構參數,而哪些參數的影響顯著,還需要進行大量的研究工作。本工作對1×1四步法方型三維編織復合材料進行了拉伸和壓縮等項目的測試,在三維編織復合材料結構參數對其力學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。

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