朱晶晶[1]2012年在《叁维面芯四向编织复合材料细观结构与力学性能研究》文中研究说明叁维编织复合材料具有良好的结构设计性、优越的机械性能、较高的性价比和很强的仿形能力。因此，叁维编织复合材料作为一种结构材料受到广泛的关注，并已在航空、航天、生物医学工程以及汽车工业等领域得到了广泛的应用。叁维面芯四向编织复合材料是在普通叁维编织复合材料结构基础上提出的新型结构材料，它既具有普通叁维编织复合材料的性能特点，又有着自身性能上的优势，在未来新材料的应用中将起到至关重要的作用。为了更加有效的设计和使用叁维面芯四向编织复合材料，需对它们的真实细观结构和力学性能进行深入的研究。本文对叁维面芯四向编织复合材料提出了一种单胞划分方法，并建立其细观几何模型和有限元模型；根据所建立的模型采用刚度平均法和有限元法预测了其力学性能，并与实验数据进行了对比分析。主要研究内容可分为以下叁个部分：第一、根据纱线的编织原理，建立了一种叁维面芯四向编织复合材料力学模型，用体积平均化的方法分析了叁维面芯四向编织复合材料的弹性性能。并与实验结果进行对比，验证分析模型和分析方法的合理性。第二、建立叁维面芯四向编织复合材料的单胞有限元模型，并施加用周期性边界条件以保证单胞边界面的应力连续和位移连续。分别采用最大主应力准则和蔡-吴张量准则判断基体和纤维材料的失效模式，并通过用户自定义材料（User-defined material, UMAT）子程序实现损伤单元的刚度折减，模拟拉伸工况下的损伤过程，预测材料的拉伸强度。第叁、研究叁维面芯四向编织复合材料的RTM成型工艺，结合改进的螺旋式树脂注射装置，制备了符合要求的叁维面芯结构试验件并进行了拉伸实验，分析实验现象及实验数据，验证有限元分析的结果及本文模型和分析方法的合理性。
檀江涛[2]2017年在《圆形截面碳纤维编织复合材料管件力学性能研究》文中进行了进一步梳理二维编织结构增强复合材料中的纤维相互交织,具有较高的整体性,使其轴向压缩性能和耐冲击性能都优于传统的复合材料管件。复合材料的力学性能与增强体的编织工艺以及树脂的性能关系密切。首先,针对碳纤维在二维编织过程中不耐扭折、易受损断纱的现象,通过拉伸性能实验和导纱瓷眼折角磨损实验分析了碳纤维复丝的可编织性能。得出碳纤维复丝的断裂强度远高于其他纤维,但延伸性差。同时探讨了纱管缠绕过程中应注意的几个问题。在24锭二维编织机上编织了几种不同工艺参数的碳纤维编织物,研究了编织工艺对织物外观起毛状况及力学性能的影响。得出影响碳纤维复丝在导纱瓷眼处折角磨损程度大小的因素依次为牵引力、折角、编织速度;编织纱线根数不变的情况下,编织节距的减小,二维编织物平方米重增加,起毛严重,编织物的拉伸断裂强力降低。其次,通过优化二维编织增强复合材料管件复合工艺,制作了碳纤维含量较高的碳纤维复合材料管件,同时对管件进行了轴向压缩性能测试,分析并探讨了编织参数对复合材料管件纤维体积含量及轴向压缩性能的影响。得出优化后的复合工艺可保持复合材料管件纤维体积含量在20%-40%之间,同时使得复合后管件的内径达到一致;编织速度不变的情况下,随着编织节距的减小编织角逐渐增加,纤维体积含量逐渐增加,当编织节距减小到一定程度后,纤维体积含量增加变缓,而轴向压缩强度先升高后降低,当编织角为46°时,轴向压缩强度达到最大。同时借助耐冲击设备对复合材料管件进行了耐冲击性能试验,分析了关键破坏过程中力—位移变化趋势。最后,利用SolidWorks软件建立了二维编织预制件的叁维几何模型,较为准确的模拟了其编织过程中纱线的编织走向和交织状况。
夏燕茂[3]2015年在《二维编织复合材料的结构及力学性能研究》文中认为二维编织结构复合材料中的编织物增强体的纤维相互缠结,显示出较强的整体性,使它的拉伸强度,抗冲击性,损伤容限等性能都优于传统的层合复合材料。同时编织工艺自动化,提高生产率,复合工艺得到简化,降低了废品率。对于二维编织复合材料而言,二维编织物的细观结构的复杂性,使得对其进行宏观力学性能预测增加了一定的难度。因此采用试验研究结合有限元法来分析高性能纤维二维编织复合材料是具有一定意义的。首先,分析玻璃纤维的可编织性。试验结果是玻璃纤维拉伸强度高,编织后纱线损伤率低。采用高速全自动120锭二维编织机,编织10种不同编织参数的玻璃纤维二维编织管。其次,将编织的二维管压成双层的平面织物,再利用手糊法将织物和环氧树脂复合制备成复合材料试样,并测试试样的基本结构参数。结果表明,试样的纤维体积含量偏低。利用万能试验机测试试样的拉伸和弯曲性能,分析力学性能的影响因素和破坏机理。结果表明,影响因素有编织角、纤维体积含量等,其中编织角是主要影响因素。最后,利用Pro/E软件建立二维编织复合材料的单胞模型,结合ABAQUS软件对试样的拉伸性能进行模拟分析。结果表明,模拟分析的结果与拉伸试验测得的结果具有较好的一致性。
冯继强[4]2016年在《叁维四向编织复合材料疲劳性能研究》文中研究指明随着航空航天领域以及军工领域向轻质高强方向发展,纤维增强复合材料逐渐受到重视并开始广泛应用。叁维编织复合材料沿长度、宽度和厚度叁个方向形成整体网状结构,不易分层,具有优越的结构整体性。但由于其结构的复杂性,对叁维编织复合材料的疲劳性能研究还相对较少。本文首先对叁维四向编织复合材料预制件进行了RTM成型,制作了拉伸基础试验件,并进行静力拉伸试验和不同应力水平下的拉—拉疲劳试验。通过静力试验得到了材料的强度数据,通过拉—拉疲劳试验得到材料的不同应力水平下的疲劳寿命,并分析了其失效机理。建立基于八边形纤维截面假设的叁维四向编织复合材料单胞模型。利用ABAQUS有限元软件编写了渐进损伤分析程序,研究了叁维四向编织复合材料的静力拉伸损伤破坏过程。拉伸强度和失效模式分析结果与试验结果吻合较好,验证了单胞模型的准确性。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了叁维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了叁维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。
于光军[5]2007年在《玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究》文中提出针织物增强复合材料是纺织结构复合材料的一类,它是以针织物作为增强体的纺织结构复合材料。针织物是由线圈相互穿套形成的,这种特殊的结构使其具有许多其它纺织结构所没有的优点。目前针对经编针织物增强复合材研究较多的是多轴向经编针织物作为复合材料增强体。多轴向经编针织物是在经编常规组织结构中衬入纬纱或经纱而得到的,而经编地组织只起到固定轴向高性能纱线的作用,并非严格意义上的经编针织物作为增强体。高性能纤维纱线的模量比较高,不易弯曲成圈,编织性能较差,因此,利用高性能纤维纱线直接编织经编针织物,并将其作为复合材料增强体方面的研究还很少。本论文正是在这样的背景下,利用玻璃纤维纱线编织了多种组织结构的经编针织物,将其与不饱和聚酯树脂复合成型,并对其进行了拉伸和弯曲性能试验,探讨经编针织物增强复合材料的力学性能。论文中采用了玻璃纤维纱线编织了九种不同结构的非轴向经编针织物,并在玻璃纤维纱线的可编织性、经编织物的组织设计和经编上机工艺参数调节等方面进行了初步的探讨和研究。基于经编线圈二维结构的假设,分析和计算各种经编组织在加载方向上的织物承载纱段,作为分析复合材料力学性能的基础。论文中还介绍了目前纤维增强复合材料所用树脂基体的种类和延?不饱和聚酯树脂的固化配方和固化特性,手糊成型法的工艺操作,如何降低复合材料的孔隙率和复合材料纤维体积含量的计算等方面内容。复合材料中玻璃纤维纱线以复杂的叁维经编线圈形式存在,因此树脂比较容易浸渍织物,复合材料的孔隙率比较低,但同时复合材料的纤维体积含量也比较低且不易控制。论文中参照玻璃纤维增强塑料的拉伸性能试验方法和玻璃纤维增强塑料的弯曲性能试验方法,对经编针织物增强复合材料的纵横向拉伸和弯曲力学性能进行了测试。为增加数据可比性,将拉伸和弯曲得到的强度和模量数据除以试样的纤维体积含量得到比强度和比模量。通过对复合材料拉伸和弯曲的比强度、比模量和经编组织沿加载方向的承载纱段的比较和分析,探讨经编组织的线圈几何结构对复合材料拉伸和弯曲力学性能的影响。结果显示,在经编组织线圈结构中沿加载方向的有效承载纱段数越多,纱段弯曲程度越低,纱段取向越高,其复合材料的拉伸和弯曲比强度、比模量就越大。
徐倩[6]2017年在《二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究》文中研究表明编织铺层复合材料,国外学者大多称其为Over-braiding composites materials,它的应用领域越来越广泛,研究它的力学性能是目前国内外学者面临的主要问题之一。而且压缩性能作为力学性能中较难测定的难题之一,也是我们研究的重点方向。本课题主要是对编织铺层复合材料的压缩性能进行探讨,目的是得推导出一套表征或者能够在一定程度上定量描述其压缩时的弹性性能的计算方法,并对其压缩破坏模式作简要分析。首先,在立体式二维编织机上编织,设计编织所用芯模的尺寸,编织不同层数的编织铺层复合材料,在MTS 647 Hydraulic Wedge Grip仪器上进行压缩试验,测试不同编织层数的试样,得到编织铺层复合材料的压缩数据。其次,通过在体式显微镜下,观测编织铺层复合材料纱线走向,考虑纱线在交织处屈曲起伏,纤维轴向模量会有部分损失,提出纤维轴向模量损失系数ξ。通过测量编织复合材料中的基本参数,结合复合材料细观结构、弹性力学、迭层理论和多层等效弹性力学模型,利用推导出一套比较简单而实用的二维两轴编织铺层复合材料平均压缩模量的计算方法。最后,分析讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能。主要考虑不同层数下不同编织角度的编织铺层复合材料平均压缩模量的变化规律及编织铺层复合材料的压缩破坏模式。结论分析表明:一、提出了一套较为精确地计算2×2结构编织铺层复合材料单层和多层的压缩弹性性能的方法,结果表明,该套计算方法与实测结果非常接近,是可行的。该套计算方法比较简单,适合于工程应用,比如复合材料制备过程中的性能评价,复合材料制备工艺的控制与改进,复合材料产品的设计等。二、对于编织铺层复合材料的进行压缩试验后可知:(1)在纤维体积分数基本保持一致的情况下,同一块板内,若编织角有差异,则编织角影响复合材料的压缩性能。编织角大的平均压缩模量小。随着层数增加,厚度增大,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势。(2)材料在未压缩破坏前,应力-应变曲线呈线性状态,在压缩初始阶段呈现弹性变形,随着应变的增加,应力迅速上升到最高值,达到最高值,下降相对于来说比较缓慢。(3)编织铺层复合材料压缩破坏过程,最主要的破坏形式是分层现象,这种破坏时分层现象的程度是介于单向布铺层复合材料和叁维编织复合材料之间的。在同一试验条件下,随层数增加,层数多的编织铺层复合材料的破坏程度比层数少的严重些。在同一层中,编织角小的内侧破坏比编织角大的外侧厉害些。裂纹与加载方向呈一定角度,裂纹扩展未超过有效压缩长度。
龙海如[7]2002年在《纬编针织物增强复合材料力学性能研究》文中研究表明纬编针织物具有良好的延伸柔顺性和较高的生产率，作为增强体赋予了复合材料优良的成型性、抗冲击性和较低的生产成本。但是与其它纺织结构复合材料相比，有关纬编针织复合材料的研究还比较少，深度也不够。本论文研究的目的，旨在为纬编针织复合材料的可设计性、可生产性和所需的力学性能提供理论与实验依据。 通过对玻璃纤维纬编针织物可编织性的实验研究和理论分析，探索出了用横机编织较低未充满系数织物的工艺参数，编织了几种不同结构与密度的纬编针织物。并在电脑横机上试织了玻璃纤维纱线的叁维全成型管道结构，解决了编织的关键技术与参数的优化问题。还采用手糊成型方法，分别制备了玻璃纤维纬编针织物与不饱和聚酯树脂、环氧树脂的复合材料层板。 对复合材料试样进行了纵横向拉伸与弯曲性能测试，以考察它们的应力应变(或挠度)曲线、弹性模量和强度，比较不同结构针织复合材料力学性能参数的差异与各向异性程度。分析了增强织物的取向、组织结构、线圈形态、几何与结构参数等因素对拉伸与弯曲性能的影响。通过研究，作者发现改进织物结构设计和优化结构参数可以提高复合材料横向模量与强度，减少纵横向力学性能的差异。 在实验研究的基础上，采用有限元方法和Algor软件，对两种典型的针织复合材料——平针/环氧和罗纹/环氧的拉伸性能进行了分析与计算。在假定该材料宏观上是均匀与连续的条件下，选取了织物的一个完全组织及所包含的树脂作为一个代表性体元来建立分析模型。其方法是先分别对线圈部分和树脂部分建模并划分单元，再将两者合成为一体，从而保证了这两部分界面上的结点完全重合。线圈模型由叁维空间几何H线段组成，建模时要使相邻的纱线外壳靠近但不相交，以免造成两部分纱体内部各个结点不重合。 除了建模外，确定单元的材料属性也很重要。根据弹塑性力学的基本原理，作者将本构关系呈非线性的树脂定义为各向同性硬化V.Mi Ses曲线。另将浸渍树脂的加捻玻璃纤维纱线定义为正交各向异性体，并通过正轴模量与偏轴模量之间的转换，计算得到了加捻纱单向复合材料特性参数。有限元分析计算的结果显示，预测的模型拉伸应力应变曲线和弹性模量都与实测值较好地吻合。 在平针/环氧和罗纹/环氧复合材料的弯曲性能有限元分析时，建模进行了简化，将拉伸分析的一个代表性体元作为弯曲模型的一个单元。事实上，纬编针织物属于各向异性体，平针和罗纹织物复合材料力学性能测试表明它们的本构关系呈非线性。但是很难准确定义其单元的材料属性。为此选择了两种单元属性来进行比较。有限元分析计算结果显示，若单元属性定义为各向同性硬化V.Mi SeS曲线，有限元分析预测的挠度应力曲线和弯曲模量都与实测较一致;而采用正交各向异性单元属性，有限元分析结果与实测曲线差异较大。这表明简化模型与各向同性硬化V，Mises曲线的单元属性，对于弯曲性能的有限元分析计算是合理与适用的。
季乐[8]2015年在《叁维多层缠绕编织复合材料细观结构与力学性能研究》文中研究表明本文所研究的叁维多层缠绕编织复合材料是一种新型的叁维编织复合材料,其有着叁维编织复合材料所共有的优点,同时又有着自身的独特优势,是一种值得深入研究的材料。本文主要从以下几个方面对其进行了研究。首先,编织工艺与纱线空间走向的研究,获得了叁维多层缠绕编织复合材料在底盘上的投影路径,得到了纱线在空间的分布情况,直观地展现了叁维多层缠绕编织复合材料的空间构型。进一步在编织工艺的基础上建立了叁维多层缠绕编织复合材料单胞,获得了一些必要的参数,如纤维体积含量、编织角、纱线填充因子等。接着,利用刚度平均法证明了叁维多层缠绕编织复合材料是一种正交各向异性材料,并用该方法和Kregers加权平均模型WAM分别求解其刚度性能,包括了独立的9个工程弹性常数。基于所建立的单胞模型,用有限元方法重新得到了叁维多层缠绕编织复合材料的弹性常数,并与刚度平均法和WAM预测的弹性常数进行了对比,分析了两种理论解的优缺点。其次,利用Abaqus/Explicit进行显式动态分析,并通过用户自定义材料VUMAT子程序实现损伤单元的刚度折减。分别采用Mises准则和Puck准则判断基体和纤维材料的失效状态,模拟拉伸与压缩工况下的损伤过程,最终得到了叁维多层缠绕编织复合材料的强度性能。最后,在实验室利用较为先进的RTM工艺复合成型叁维多层缠绕编织复合材料,获得了低孔隙率、缺陷较少的试验件,并完成了其力学性能的测试,将实验结果和仿真结果对比,分析了误差原因,证明了本文所用研究方法的准确性。
李欣[9]2017年在《碳纤维/聚醚醚酮编织复合材料的制备及性能研究》文中研究说明碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是复合材料中重要的一种,具有质量轻、强度高的优点,在航空航天、汽车工业和风电等领域中有广泛的应用。聚醚醚酮树脂(PEEK)是新一代耐高温热塑性树脂,因具有良好的耐高温性能,其碳纤维增强热塑性树脂复合材料已经在机身、卫星部件和其他空间结构上应用。编织复合材料是一种新型结构设计的复合材料,它具有整体结构不发生分层结构,复杂的构件可以一次成型等特点。因此,研究碳纤维/聚醚醚酮编织复合材料有很重要的应用前景。本文以碳纤维和聚醚醚酮纤维作为实验的主要材料,采用二维平纹编织的方法得到了两种纤维的织物,通过模压成型制备出实验所需的碳纤维、聚醚醚酮复合材料。通过高温接触角测试分析了碳纤维和聚醚醚酮的浸润情况,通过力学性能测试分析了实验制备复合材料的强度,通过超景深和SEM观察了复合材料的表面形貌和微观形貌,通过红外光谱(FT-IR)分析了材料的结构,通过DSC、TG和DMA分析了复合材料材料的热学性能,通过湿热老化的实验分析了复合材料的耐老化性能。采用高温接触角测试分别对不同温度条件下碳纤维和聚醚醚酮的浸润角度进行测量,发现在370℃条件下二者浸润效果最好,采用370℃的成型温度在确定的铺层和压力下进行复合材料成型,制备出的复合材料层间结合效果最好。制备出叁种树脂含量的复合材料,分别是59.56%、65.03%和69.43%;采用超景深和SEM对复合材料进行形貌分析,并结合叁种树脂含量复合材料的力学测试结果发现:树脂质量分数为65.03%的复合材料的断面处碳纤维周围被树脂均匀包覆,二者之间浸渍效果良好,层间结合效果好,在受到外力时,发生的是韧性断裂,力学强度均高于其他两种树脂含量的复合材料;通过DSC、TG和DMA分析并结合复合材料的湿热老化实验得到的结果,发现复合材料处于高温高湿的环境下,虽然材料的拉伸强度呈下降趋势,但是仍可以保持良好的力学强度和热稳定性,其中树脂质量分数为65.03%的复合材料在经过168h湿热老化处理后,其拉伸强度仍可以保持原有强度的92.09%,说明了该条件下复合材料优异的力学性能。
魏凯[10]2014年在《玻璃纤维纬编针织物增强复合材料力学性能研究》文中指出纬编针织物由于其独特的叁维弯曲线圈结构和相邻线圈之间的连接方式,使其具有较好的延伸性和柔顺性。纬编针织物作为增强体赋予了复合材料优异的延伸性、抗冲击性及成型性。较其它纺织结构的复合材料而言,纬编针织结构增强复合材料的研究较少,且研究主要以在针织物的纵向和横向衬入高性能纱线为主,并不是真正意义上的利用高强度纱线编织的针织物,因此直接利用高性能纤维编织无衬经衬纬的纬编针织物作为复合材料的增强体,对复合材料的力学性能研究具有一定的意义。本课题首先分析了玻璃纤维的可编织性能,并与棉和涤纶长丝作比对,试验结果表明玻璃纤维的强度较高、摩擦系数较大,但其钩结强度、圈强力效率则远远低于棉和涤纶长丝,且玻璃纤维在编织过程中损伤较为严重,容易断裂,所以玻璃纤维在电脑横机上编织较困难。在编织的过程中,通过对电脑横机速度、给纱张力、牵拉力、线圈长度等参数的调整及优化,织制了质量良好,表面平整的七种不同组织的纬编针织物。其次,选用环氧树脂为基体,利用真空辅助树脂传递模塑成型方法制备复合材料试样,并测试复合材料试样的基本参数。试验结果表明,通过真空辅助模塑树脂转移技术制备的复合材料表面平整,孔隙率较低,且纤维体积含量较高。在万能试验机上测试复合材料试样的拉伸、弯曲等力学性能,分析在不同方向上力学性能参数产生差异的原因,探讨了预制件结构对复合材料力学性能的影响。测试结果表明,力学性能的大小主要受承载纱线的根数、纱线的取向度以及纤维所占比重的影响。最后,利用Pro/E软件建立1+1变化平针复合材料模型,并用ABAQUS有限元分析软件对复合材料模型纵向和横向的拉伸性能进行了有限元分析和计算。试验结果表明,通过模拟分析和计算得到的结果与拉伸试验实测结果具有较好的一致性。
参考文献：
[1]. 叁维面芯四向编织复合材料细观结构与力学性能研究[D]. 朱晶晶. 南京航空航天大学. 2012
[2]. 圆形截面碳纤维编织复合材料管件力学性能研究[D]. 檀江涛. 河北科技大学. 2017
[3]. 二维编织复合材料的结构及力学性能研究[D]. 夏燕茂. 河北科技大学. 2015
[4]. 叁维四向编织复合材料疲劳性能研究[D]. 冯继强. 南京航空航天大学. 2016
[5]. 玻璃纤维经编针织物增强复合材料的力学性能研究[D]. 于光军. 东华大学. 2007
[6]. 二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究[D]. 徐倩. 东华大学. 2017
[7]. 纬编针织物增强复合材料力学性能研究[D]. 龙海如. 东华大学. 2002
[8]. 叁维多层缠绕编织复合材料细观结构与力学性能研究[D]. 季乐. 南京航空航天大学. 2015
[9]. 碳纤维/聚醚醚酮编织复合材料的制备及性能研究[D]. 李欣. 哈尔滨工业大学. 2017
[10]. 玻璃纤维纬编针织物增强复合材料力学性能研究[D]. 魏凯. 河北科技大学. 2014
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