三维编织复合材料

摘要： 本文提出了一种三维四向编织复合材料单胞模型的构建方法,并基于该模型对三维四向编织复合材料的细观力学性能进行了分析。首先,根据三维编织复合材料的两个内部构型参数——纤维体积含量和编织角,结合有限元分析软件建立了三维四向编织复合材料的单胞模型;然后,针对三维四向编织复合材料单胞的静力学性能及抗冲击性能进行了分析,得到了该单胞模型三个正交方向的弹性模量,并研究了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞抗冲击性能的影响规律;最后,利用扩展有限元方法研究了三维四向编织复合材料单胞的抗拉强度,分析了纤维体积含量和编织角对三维四向编织复合材料单胞强度的影响规律。

摘要： 三维编织复合材料在对结构件重量和冲击强度要求较高的高/低温应用场合,有着比金属材料更明显的性能/重量比优势,在高强度和轻量化零部件设计中有极大应用潜力。采用高速摄影记录冲击变形过程,用试验测试和有限元分析方法,研究三维碳纤维增强环氧树脂编织复合材料在不同环境温度单次与多次应力波加载下的横向冲击损伤性质,揭示横向冲击加载下的热力耦合损伤机制。研究发现,在单次应力波加载下,复合材料冲击面的压缩应力大于背部的拉伸应力;而在多次应力波加载下,随着试件变形背部的拉伸应力逐渐增大,大于冲击面的压缩应力。在室温下,复合材料的绝热温升集中在断裂面;而在高温下复合材料韧性增强,基体与增强体热膨胀系数的差异导致环氧树脂和碳纤维束相互挤压,绝热温升分布受编织结构的影响,表面呈散点状分布。研究表明,编织复合材料在室温和高温下的冲击损伤结构设计,为促进编织复合材料在冲击工程结构设计等领域的应用提供了理论依据。

摘要： 为了准确评估碳纤维三维编织复合材料力学行为及损伤特性,利用声发射技术对复合材料的拉伸损伤过程展开实时监测,并基于概率熵统计分析方法研究材料损伤演化所产生声发射信号的动态响应行为.此外,采用显微CT扫描技术对复合材料的内部损伤状态进行可视化表征.结果表明,声发射信号的特征能够很好地反映复合材料的破坏过程,声发射信号概率熵的演变描述了复合材料内部不可逆的损伤与失效机制.声发射结合显微CT技术能够有效地获取三维编织复合材料内部不同截面上的微观结构及其损伤特征,为该类复合材料的无损检测与寿命评估提供技术支撑.

摘要： 三维编织复合材料因内部存在由连续纤维束形成的空间网状结构,相比于传统层合复合材料具有更高的层间强度,相比于金属材料具有更高的抗冲击损伤和抗裂纹扩展能力.详细介绍了三维编织复合材料的细观几何建模方法,综述了三维编织复合材料动态拉伸、压缩性能,动态失效准则以及高速冲击性能等方面的研究进展,指出三维编织复合材料在细观几何建模和动态拉伸试验方面的未来研究方向.

摘要： 为解决三维编织复合材料嵌入碳纳米管(CNT)纱线传感器优化配置目标多、目标函数不连续问题,实现航天结构制件内部损伤的全面监测,采用非支配邻域免疫算法对多目标优化问题进行了研究.以四步法三维六向编织工艺为依据,分析了CNT纱线传感器的最佳嵌入位置和数量;通过非支配邻近免疫算法实现了CNT纱线传感器优化配置问题的求解,推导出不同尺寸的三维编织复合材料制件嵌入传感器的最优数量和位置.对损伤制件的应力实验及数据分析证明,CNT纱线传感器优化配置结果适用于三维编织复合材料的损伤监测,损伤定位误差小于0.6 mm.该研究为复合材料损伤源定位模型的建立提供参考.

摘要： 研究了三维编织碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料和层合碳纤维-玻璃纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在200°C和250°C分别老化10、30、90、120和180天后的弯曲和剪切性能的变化.结果显示热氧环境下,纤维/双马来酰亚胺树脂基体界面性能随着老化时间的延长而显著下降,且编织复合材料老化后的弯曲和剪切性能保留率大于层合复合材料.这是由于编织复合材料中沿厚度方向的Z向纱将所有纱线捆绑为一个整体结构抵抗外力,且在热氧老化造成复合材料之间产生裂纹时,Z向纱的存在可以阻挡裂纹的扩展,减缓材料的老化速率.这说明与层合复合材料相比,编织复合材料的整体结构能够起到补偿由热氧老化导致的力学性能下降的作用.

摘要： 三维编织复合材料是通过纤维束编织和基体成型制备得到的复合材料,能以"近净成型"的方式实现材料结构一体化制造复杂外形结构件,减少装配连接数量.该材料已经在航空航天、高速车辆和重要民用设施中得到广泛应用.我们采用高速摄影记录冲击变形过程,用计算机断层扫描(CT)技术和有限元方法表征三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料在多次冲击加载下的内部损伤分布与环境温度、细观结构间的关系.研究发现,温度增加,树脂由脆性失效变为韧性失效,界面黏结强度降低,失效模式变为纤维/树脂界面开裂和树脂脱黏;编织角增加,失效模式由界面开裂转变为树脂脱黏开裂和界面开裂同时发生,抗冲击容限提高,吸收能量增加导致局部温升提高;冲击次数增加,冲击损伤的积累导致增强体变形、界面开裂和树脂脱黏有明显的累加效应.

摘要： 三维编织复合材料具有高比刚度和比强度、良好的耐腐蚀性、抗冲击性,耐疲劳性和更高的损伤容限,然而三维编织复合材料的性质受到编织设备和编织工艺的制约,研究并构建灵活度高,适合各种不同细观结构的编织设备对研究三维编织复合材料具有重要意义。本期刊载的"数字化多轴向三维编织原理样机及其工艺研究"一文中,哈尔滨工业大学的张涛副教授、郭斌教授等人,通过建立纱线空间运动模型,设计制备恒张力水平放置携纱器与六齿型空心轴拨盘构成驱动装置,设定其运动轨道,研制了一种数字化多轴向水平放纱三维编织原理样机,并设计了其控制系统。采用Visual Studio设计开发基于Windows 7以上64位操作系统的CAE实时控制程序实现数字化控制。根据空间运动学原理,在笛卡尔坐标系下建立纱线运动轨迹模型,模拟纱线的运动轨迹,并使用850D聚丙烯纤维进行了验证实验。

摘要： 三维编织复合材料被大量用于航空结构设计,在航空服役过程中需承受各种复杂载荷.测量三维编织复合材料内部原位应变,将其应用于建立材料失效预警系统和结构强度设计.在三维编织复合材料内部埋植光纤Bragg光栅传感器和在材料表面粘贴应变片,同时测量结构内部和表面原位应变.构建均质模型和细观结构模型,采用有限元方法分析内部原位应变场分布,有限元分析结果和试验测量结果吻合性较好.发现在准静态单轴拉伸载荷作用下,三维编织复合材料不同位置原位应变值产生变化.三维编织复合材料轴向正中间截面应变分布较为均匀;内单胞处原位应变略大于面单胞处原位应变(最大差值约0.08％);外表面原位应变大于面单胞处原位应变(最大差值约0.1％).在三维编织复合材料航空结构设计中,需要充分考虑并合理使用三维编织复合材料不同位置的应变值,使材料设计和利用效率最大化.

摘要： 减纱工艺可以实现变截面三维编织复合材料的净形制备,通过对不同减纱方案制备的单次减纱试件和具有不同减纱截面间距的两次减纱试件进行三点弯曲实验,研究了减纱工艺参数对变截面三维编织复合材料弯曲性能和破坏形态的影响.结果表明,行单元减纱试件的弯曲性能略高于整列减纱试件而显著优于切削试件,纱线断裂是减纱试件的主要失效机制,切削试件则以基体和界面损伤为主.两减纱截面间隔1至3个花节时,试件主要在第二个减纱截面附近发生破坏,而间隔4或5个花节时,弯曲破坏集中在两减纱截面的中间区域.随着减纱截面间距由1花节递增至4花节,试件的弯曲性能逐渐提高,而间距为5花节的试件则与间距4花节试件的弯曲性能基本相同.

摘要： 三维编织复合材料以其高比强度、高比模量、高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、抗开裂、不分层、耐疲劳等优点应用于各个领域。本文利用ANSYS建立三维编织复合材料(21°编织角)的内胞有限元模型,对模型施加恰当的位移和约束条件,对21编织角模型的等效轴向拉伸模量和轴向拉伸强度进行了预报,再结合刚度折减的方法,得到该模型在不同轴向拉伸作用下的应力-应变关系,找到模型的拉伸强度和断裂应变。

摘要： 在声发射技术基础上,设计了一套声发射信号采集分析系统.利用该系统检测三维编织复合材料在拉伸承载过程中产生的声发射能和材料断裂能并研究二者之间的关系.结果表明:利用声发射技术可以检测到三维编织复合材料承载过程中的声发射能和断裂能;复合材料的表面编织角与材料拉伸承载时产生的声发射能的大小有关,编织角较大的复合材料产生的声发射能较大;声发射能与断裂能具有良好的线性关系,声发射技术可以应用于大型复合材料制件裂纹断裂检测并为复合材料的力学性能分析和改善材料复合工艺提供技术支持.

摘要： 本文研究了树脂基三维编织复合材料的粘弹性能的理论预测方法。首先采用三元件固体模型模拟树脂材料的粘弹性本构,导出树脂的蠕变柔度矩阵和粘弹性本构方程。然后,采用蠕变混合律理论,导出单向纤维束的蠕变柔度矩阵、松弛模量矩阵和粘弹性本构方程。其次,将周期性内部单胞进一步等效分解成四种单向复合材料的叠加组合,导出了完整的周期性单胞的粘弹性本构方程,理论预测了三维编织复合材料的粘弹性力学响应。研究结果表明,基于蠕变混合律的理论计算方法可以较好地预测三维编织复合材料的粘弹性能。

摘要： 本文研究四步法三维碳纤维/环氧树脂编织复合材料横向冲击性能。通过三维编织复合材料冲击载荷位移曲线和能量吸收特征探寻三维编织复合材料的冲击破坏机理。最大载荷和能量吸收随着加载速度的增加而增加。

摘要： 论述了声发射技术在三维编织复合材料弯曲过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中弯曲过程的特征。通过试验结果表明，考虑到声发射源定位研究的准确性建议采用波形分析法，利用小波变换的不同算法得到三维编织复合材料较准确的声发射信号。

摘要： 论述了声发射技术在三维编织复合材料弯曲过程中的应用及实验方法,给出了声发射在三维编织复合材料中弯曲过程的特征。考虑到声发射源定位研究的准确性建议采用波形分析法,利用小波变换的不同算法得到三维编织复合材料较准确的声发射信号。

摘要： 三维编织复合材料具有结构整体、异型件一次成型、力学性能优良、可设计等特性.能够满足航天结构材料的高强度、高模量、低比重、尺寸稳定性好的要求.随着材料性能数据库的完善和编织机器自动化程度的提高,成本逐渐降低,在航天领域有广阔的应用前景.

摘要： 本文利用声发射技术原理,检测三维编织复合材料在拉伸和压缩试验下的声发射信号,利用小波分析方法对声发射信号进行降噪处理,将过滤后的波形或波形特征参数作为样本输入到BP神经网络,经过神经网络的训练,达到自动识别三维编织复合材料承载和损伤模型之间对应关系的目的.

摘要： 三维编织复合材料是由三维编织物(预制件)增强的一种先进复合材料。它具有优良的力学性能和其他的性能，使复合材料制作主承力结构件和高功能制件成为可能。本文主要研究了三维编织复合材料的细观结构，研究了三维编织复合材料的拉伸、弯曲、压缩、疲劳、冲击等力学性能，以及结构参数对这些性能的影响。为三维编织复合材料的设计和应用提供了必要的数据。

摘要： 本发明提供三维纤维增强复合材料，其具备：层叠体，其是包括沿层叠方向层叠的多个纤维束层的层叠体，纤维束层包括第1以及第2最外层；基体树脂；防脱线；以及结合线，其将纤维束层结合。结合线具有：折回部，其通过防脱线的外侧并折回；与折回部连续的第1横穿线部以及第2横穿线部；以及表层线部，其在第2最外层的表面沿该第2最外层的面而向与防脱线大致正交的方向延伸。表层线部具有两股部，其在所述第2最外层的表面从第1横穿线部以及第2横穿线部向相反的方向延伸。在由两股部和与该两股部相邻的第2最外层的纤维束围起的空间、第1以及第2横穿线部中的每一个和与这两个横穿线部中的每一个相邻的纤维束之间的空间、以及第1横穿线部与所述第2横穿线部之间的空间配置有添加剂和所述基体树脂。

摘要： 本发明涉及一种复合材料自动化三维编织设备及编织方法，该编织设备包括：编织平台，包括导向柱固定板，所述导向柱固定板中设置有阵列导向柱；运动机构，包括：龙门式三轴直线模组滑台；编织端，与龙门式三轴直线模组滑台的Z轴末端相连接，该编织端末端具有编织针，带动编织纱在导向柱之间按照预制体几何形状分布；送纱装置，将编织纱线送至编织端；压实装置，包含压实板阵列，对编织至一定高度的预制体进行压实。该自动化三维编织设备集编织、压实、张力控制等功能于一体，自动化程度高，其编织端能够控制编织针姿态，减小编织针所受载荷，因此编织针直径尺寸得以缩小，从而增大导向柱密集程度，进而增加预制体纤维体积分数，预制体成形质量好。

摘要： 本发明涉及通过三维编织方法编织的单件的纤维坯件(100)，该纤维坯件用于制备涡轮发动机风扇的由复合材料制成的封闭盒结构平台。在所述纤维坯件的每个平面内，一组经纱与所述纤维坯件的第一部分(102)、第二部分(104)以及第三部分(106)的纬纱层互连，同时形成封闭非互连区域(108)，该封闭非互连区域沿经纱方向在非互连上游界限(108a)和非互连下游界限(108b)之间的所述纤维坯件的尺寸的一个片段上将所述第二部分与所述第一部分分离，以及同时形成至少一个开口非互连区域(110)，该至少一个开口非互连区域沿经纱方向从非互连界限(110a)到所述纤维坯件的下游边缘(100c)的所述纤维坯件尺寸的一个片段上将所述第三部分与所述第二部分分离。本发明还涉及一种通过使用这种纤维坯件制造用于涡轮发动机风扇的由复合材料制成的封闭盒结构平台的预制件的方法。

摘要： 本发明提供三维纤维增强复合材料，其具备：层叠体，其是包括沿层叠方向层叠的多个纤维束层的层叠体，纤维束层包括第1以及第2最外层；基体树脂；防脱线；以及结合线，其将纤维束层结合。结合线具有：折回部，其通过防脱线的外侧并折回；与折回部连续的第1横穿线部以及第2横穿线部；以及表层线部，其在第2最外层的表面沿该第2最外层的面而向与防脱线大致正交的方向延伸。表层线部具有两股部，其在所述第2最外层的表面从第1横穿线部以及第2横穿线部向相反的方向延伸。在由两股部和与该两股部相邻的第2最外层的纤维束围起的空间、第1以及第2横穿线部中的每一个和与这两个横穿线部中的每一个相邻的纤维束之间的空间、以及第1横穿线部与所述第2横穿线部之间的空间配置有添加剂和所述基体树脂。

摘要： 本发明涉及一种复合材料自动化三维编织设备及编织方法，该编织设备包括：编织平台，包括导向柱固定板，所述导向柱固定板中设置有阵列导向柱；运动机构，包括：龙门式三轴直线模组滑台；编织端，与龙门式三轴直线模组滑台的Z轴末端相连接，该编织端末端具有编织针，带动编织纱在导向柱之间按照预制体几何形状分布；送纱装置，将编织纱线送至编织端；压实装置，包含压实板阵列，对编织至一定高度的预制体进行压实。该自动化三维编织设备集编织、压实、张力控制等功能于一体，自动化程度高，其编织端能够控制编织针姿态，减小编织针所受载荷，因此编织针直径尺寸得以缩小，从而增大导向柱密集程度，进而增加预制体纤维体积分数，预制体成形质量好。

摘要： 本发明涉及通过三维编织方法编织的单件的纤维坯件(100)，该纤维坯件用于制备涡轮发动机风扇的由复合材料制成的封闭盒结构平台。在所述纤维坯件的每个平面内，一组经纱与所述纤维坯件的第一部分(102)、第二部分(104)以及第三部分(106)的纬纱层互连，同时形成封闭非互连区域(108)，该封闭非互连区域沿经纱方向在非互连上游界限(108a)和非互连下游界限(108b)之间的所述纤维坯件的尺寸的一个片段上将所述第二部分与所述第一部分分离，以及同时形成至少一个开口非互连区域(110)，该至少一个开口非互连区域沿经纱方向从非互连界限(110a)到所述纤维坯件的下游边缘(100c)的所述纤维坯件尺寸的一个片段上将所述第三部分与所述第二部分分离。本发明还涉及一种通过使用这种纤维坯件制造用于涡轮发动机风扇的由复合材料制成的封闭盒结构平台的预制件的方法。

摘要： 一种三维编织复合材料的新型编织工艺及所用编织机，属于三维编织材料领域，是将纱锭以一定规律排布在矩阵轨道层和条形轨道层穿插形成的轨道面上，并沿矩阵轨道层和条形轨道层做逆时针循环运动进行编织得到的新型三维编织复合材料。本发明通过采用独特的矩阵轨道层和条形轨道层穿插形成轨道面，而后在轨道面上以一定的规律排布未挂纱纱锭和挂纱纱锭，并使其按照一定的方式运动进行编织，从而最终得到一种新结构的三维编织材料，其编织工艺和设备简单、便于实现，而且得到的新型三维编织材料几何结构更加稳固，力学性能更加优异。

摘要： 本发明公开了一种变编织角的三维编织复合材料机匣，包括断裂叶片撞击的包容区，所述包容区的机匣采用最优编织角的复合材料编织构型，所述最优编织角通过对编织角度不同的打靶试验件进行打靶试验得到；打靶试验件曲率与包容区的机匣曲率一致，所述打靶试验得到不同编织角度下复合材料的弹道极限，然后基于统计规律插值得到最优编织角。将现有机匣进行包容区划分并对其进行针对性设计，包容区采用三维编织复合材料的最优编织角提高机匣的包容区的抗冲击性能。

摘要： 一种三维编织复合材料的新型编织工艺及所用编织机，属于三维编织材料领域，是将纱锭以一定规律排布在矩阵轨道层和条形轨道层穿插形成的轨道面上，并沿矩阵轨道层和条形轨道层做逆时针循环运动进行编织得到的新型三维编织复合材料。本发明通过采用独特的矩阵轨道层和条形轨道层穿插形成轨道面，而后在轨道面上以一定的规律排布未挂纱纱锭和挂纱纱锭，并使其按照一定的方式运动进行编织，从而最终得到一种新结构的三维编织材料，其编织工艺和设备简单、便于实现，而且得到的新型三维编织材料几何结构更加稳固，力学性能更加优异。

摘要： 本发明公开了一种变编织角的三维编织复合材料机匣，包括断裂叶片撞击的包容区，所述包容区的机匣采用最优编织角的复合材料编织构型，所述最优编织角通过对编织角度不同的打靶试验件进行打靶试验得到；打靶试验件曲率与包容区的机匣曲率一致，所述打靶试验得到不同编织角度下复合材料的弹道极限，然后基于统计规律插值得到最优编织角。将现有机匣进行包容区划分并对其进行针对性设计，包容区采用三维编织复合材料的最优编织角提高机匣的包容区的抗冲击性能。