（纺织工程专业论文）矩形组合截面三维编织物的细观结构研究.pdf

摘要 随着三维编织复合材料应用的日益广泛，对其进行的研究也越来 越深入。迄今为止的研究的对象主要集中在对常规矩形截面三维编织 物的研究上。然而，在三维编织复合材料的实际应用中，在很多情况 下构件形状并不是简单的矩形截面，而是以矩形组合截面的形式出 现，如：工字形、t 形、l 形、口字形等等。因此，非常有必要对矩 形组合截面三维编织复合材料的细观结构、工艺设计和力学性能进行 研究，以便对这种异形截面材料的实际生产和应用起到指导作用。 本论文的研究目标是： ( 1 ) 建立能够反映矩形组合截面三维编织复合材料中交接区域 特殊细观结构的单胞模型。该模型能够描述出各编织纱线的排列、编 织角以及相互交织情况。 ( 2 ) 给出设计和计算矩形组合截面三维编织物各参数的过程和 方法。 ( 3 ) 评价交接区域特殊的细观结构对三维编织复合材料力学性 能造成影响。 本文首先对矩形组合截面三维编织物的细观结构进行了分析，建 立了反映纱线排列和交织情况的单胞几何模型。 从l 型截面三维编织物这种典型的组合截面入手，分析编织过程 中携纱器的运动轨迹，发现携纱器在通过矩形交接区域的表面、内部 和内角区域时，具有特殊的运动规律。从而确定，与常规矩形截面三 维编织物中相比，在矩形交接区域的内部、表面和内角具有特殊的细 观结构。因此，对于矩形组合截面的三维编织物来说，有六种具有不 同细观结构的单胞：除了常规矩形所具有的内部、表面和棱( 外) 角 等三种单胞外，还在交接区域形成了交接内部单胞、交接表面单胞和 交接内角单胞等三种新的单胞形式。 采用控制体积法对矩形交接区域单胞的细观结构进行分析，建立 描述矩形交接区域细观结构的三种单胞几何模型，即交接内部单胞、 交接表面单胞和交接内角单胞，并给出了这三种单胞的外形尺寸以及 各单胞内纱线编织角。 矩形交接区域的内部单胞的外形为立方体。和常规矩形的内部单 胞相比，外形尺寸相同。交接内部单胞由五根编织纱组成，除了两根 同常规矩形内部单胞中纱线编织角一致的纱线外，有两根纱线的编织 角小于常规内部单胞中的纱线编织角，且为一曲线，另一根纱线的编 织角大于常规矩形内部单胞中的纱线编织角。矩形交接区域的内角单 胞外形为七棱柱体，由四根编织纱组成。同常规矩形的棱( 外) 角单 胞相比，其中的三根编织纱同样为空间曲线，但是另有一根纱线为一 直线，这是常规矩形的棱( 外) 角单胞中所没有的。矩形交接区域的 表面单胞为五棱柱体，由四根编织纱组成。和常规矩形的表面单胞相 比，外形尺寸一样，编织纱线也是相互交叉的空间曲线，但是编织角 不同。其中有一根纱线的编织角大于常规矩形表面单胞中纱线的编织 角，其余三根纱线的编织角则小于常规矩形表面单胞中纱线的编织 角。 采用了三种试验方法，即纵切法、横切法和x 一射线断层扫描成 像法对所建立单胞模型进行了验证，结果表明，所建立的单胞模型是 正确的。 由于交接区域存在特殊的细观结构，针对常规矩形截面三维编织 复合材料各工艺参数的计算和设计方法已不再适合矩形组合截面。根 据所建立的单胞模型，给出了计算矩形组合截面三维编织物各工艺参 数的方法。首先给出了确定六种单胞数量和分布的“分解组合法 ， 即：将复杂的异形截面的问题转化为简单的矩形截面的问题，再将简 单截面组合成复杂截面，给出了组合过程交接区域中新单胞的“生成” 规律，从而得到六种单胞的数量和分布。接下来，根据建立的单胞几 何模型及尺寸，给出了计算各单胞纤维体积分数以及各单胞占整个预 型件体积百分比的公式。最后，对于编织纱为圆形单丝和复丝的情况， 分别给出了矩形组合截面三维编织预型件横截面几何尺寸及纱线根 数的计算方法。对于编织纱为复丝的预型件，在编织纱横截面为椭圆 形的假设条件下，给出了根据计算其横截面尺寸的方法，以及根据实 际要求进行工艺设计、确定编织纱线的根数和排列、编织预型件的外 形尺寸、纤维体积分数、编织角等的方法。试验表明，推荐的方法给 出的结果是符合实际的。 接下来，本文通过对常规矩形截面和矩形组合截面三维编织复合 材料的弯曲对比试验，判定交接区域的特殊细观结构对三维编织复合 材料的力学性能的影响。 通过研究发现，常规矩形截面三维编织复合材料的弯曲损伤过程 可以分为四个阶段，即初始损伤阶段、损伤过渡阶段、严重损伤阶段 和整体失效阶段。在整个破坏过程中，三维编织复合材料表现出一种 复合型破坏，包括了基体破坏、乔面开裂和纤维断裂等各种破坏方式， 但其中基体和界面的破坏占主导地位，而纤维断裂只占很少部分。 对于矩形组合截面三维编织复合材料，虽然它的弯曲损伤过程也 同样分为四个阶段，但由于其交接区域存在着特殊的细观结构，因此 它在受到弯曲载荷时，会在较低载荷、较早时间，在具有特殊细观结 构的交接区域发生纤维和基体间界面的开裂以及基体的破坏，产生较 多的低振幅声发射事件，这一结论通过断面观察和声发射参数分析得 到了验证。这样就使得其同常规矩形截面三维编织复合材料相比，力 学性质会较早地由线性转为非线性。此外，从整个弯曲损伤过程来看， 矩形组合截面三维编织复合材料特殊的细观结构使得其总的声发射 事件数多于常规矩形截面，即内部损伤相对严重，这也就导致了矩形 组合截面三维编织复合材料的弯曲破坏极限载荷比常规矩形的稍低。 此外，矩形组合截面三维编织复合材料的交接区域中，大部分纱线的 编织角小于常规矩形截面中对应区域纱线的编织角，这就使得在受到 弯曲载荷时，矩形组合截面三维编织材料的模量比常规矩形的稍高。 关键词：复合材料，三维编织，矩形组合晃面，细观结构，单胞模型，工艺参 数，力学性能，损伤 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f3 db r a i d e dc o m p o s i t e s ，m o r e a n dm o r es t u d i e so ni th a v eb e e nd o n e s of a r ，a l lt h es t u d i e so n3db r a i d e d c o m p o s i t e sh a v ec o n c e n t r a t e do nt h o s ew i t hs i m p l er e c t a n g l ec r o s s s e c t i o n f e wo n c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o nh a sb e e np u b l i s h e d t h e c o m p l e xr e c t a n g u l a rs h a p er e f e r sh e r et ot h ek i n do ft h eg e o m e t r i c a ls h a p e f o r m e db yjo i n i n gt o g e t h e rt w oo rm o r er e c t a n g l e s ，s u c ha s t s h a p e ， l s h a p e ，e t c t h e r e f o r ei t i s v e r yn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，t e c h n i c a ld e s i g na n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f3d b r a i d e dc o m p o s i t e sw i t hc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o ni no r d e rt o i n s t r u c tt h ep r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no ft h i sc o m p o s i t ew i t hc o m p l e x r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n t h eg o a lo ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t oe s t a b l i s hu n i tc e l lm o d e l si nj o i n tr e g i o n ，w h i c hc a nr e f l e c ta n d d e s c r i b et h e s p e c i a lm i c r o s t r u c t u r e ，a r r a n g e m e n t ，b r a i d i n ga n g l ea n d i n t e r l a c e m e n to fe a c hb r a i d i n gy a r n ( 2 ) t op r e s e n tp r o c e s sa n dm e t h o df o rc a l c u l a t i n ga n dd e s i g n i n ge a c h p a r a m e t e r o f3 db r a i d e d c o m p o s i t e s w i t h c o m p l e xr e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n ( 3 ) t oe v a l u a t et h ee f f e c to nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f3 db r a i d e d c o m p o s i t e sw i t hc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o ne n g e n d e r e db ys p e c i a l m i c r o s t r u c t u r ei njo i nr e g i o n 。 f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h em i c r o s t r u c t u r eo f3 db r a i d i n gw i t h c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n ，a n de s t a b l i s h e su n i tc e l lg e o m e t r i c a l m o d e l st h a tc a nd e s c r i b et h ea r r a n g e m e n ta n di n t e r l a c e m e n to fb r a i d i n g y a r n s f o l l o w i n gt h ef o r m a t i o nr u l eo ft h eb r a i d i n gp r o c e s s ，t h ep a t h so ft h e c a r r i e r sa r et r a c e di n3 db r a i d i n gp r e f o r mw i t hl s h a p ec r o s s s e c t i o n i ti s f o u n dt h a tt h em o v i n gr u l eo fc a r r i e r si ss p e c i a lw h e nt h e yg ot h r o u g ht h e s u r f a c e ，i n t e r i o ra n dc o r n e ri nj o i n tr e g i o n t h e ni t c a nb ec o n f i r m e dt h a t c o m p a r e d w i t h s i m p l er e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n ，t h e r e a r e s p e c i a l m i c r o s t r u c t u r ei nt h ei n t e r i o r ，s u r f a c ea n dc o r n e ro fjo i n tr e g i o n a c c o r d i n g l y ，：t h e r e a r es i xd i f f e r e n tu n i tc e l l si na3 db r a i d e dp r e f o r m w i t hc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n ：i na d d i t i o nt ot h ei n t e r i o r ，s u r f a c e a n dc o r n e rc e l l so fas i m p l er e c t a n g l ei n t r o d u c e db ye a r l i e rr e s e a r c h e r s ， t h r e en e wt y p e so fu n i tc e l la r ef o r m e di nt h ej o i n tr e g i o n ，n a m e l yt h eu n i t c e l lo fi n t e r i o ri nt h ej o i n tr e g i o n ，t h eu n i tc e l lo fs u r f a c ei nt h ej o i n t r e g i o na n dt h eu n i tc e l lo fc o r n e ri nt h ejo i n tr e g i o n m i c r o s t r u c t u r eo fu n i tc e l l si njo i n tr e g i o ni ss t u d i e db ym e a n so ft h e c o n t r o lv o l u m em e t h o d t h r e eu n i te e l lm o d e l s u n i tc e l lo fi n t e r i o ri nt h e jo i n tr e g i o n ，t h eu n i tc e l lo fs u r f a c ei nt h ejo i n tr e g i o na n dt h eu n i tc e l lo f c o r n e ri nt h ej o i n tr e g i o n ，a r ee s t a b l i s h e d t h es h a p e ，d i m e n s i o na n d b r a i d i n ga n g l e so fy a r n si ne a c hu n i tc e l la r eg i v e n i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n t e r i o ru n i tc e l li nt h ejo i n tr e g i o ni sa c u b e ，o fw h i c ht h ed i m e n s i o ni st h es a m ea st h e i n t e r i o ru n i tc e l lo fa s i m p l er e c t a n g l ec r o s s s e c t i o n t h e r ea r ef i v eb r a i d i n gy a r n si nt h ei n t e r i o r u n i tc e l lo fj o i n tr e g i o nt o t a l l y a p a r tf r o mt w oy a r n sf o l l o w i n gt h es a m e b r a i d i n gr u l eo fac o m m o nf o u r - s t e pb r a i d i n gf o ras i m p l er e c t a n g l e ，t h e r e i sas t r a i g h ty a r nw i t hag r e a t e rb r a i d i n ga n g l ea n dt w os p a t i a l l yo r i e n t a t e d y a r n sw i t hs m a l l e rb r a i d i n ga n g l et h a nt h a ti nac o m m o nf o u r s t e pb r a i d i n g w i t hs i m p l er e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o n c o m p a r e dw i t ht h ec o r n e rc e l li nas i m p l er e c t a n g l e ，t h ec o r n e ru n i t c e l l i nt h ej o i n tr e g i o ni sn o tap e n t a g o np r i s m ，b u tah e p t a g o np r i s m i n s i d e t h eh e p t a g o n ，t h e r ea r ef o u rb r a i d i n gy a r n st o t a l l y t h e r ea r en o t o n l yt h r e ec u r v i n gy a r n s ，b u ta l s oas t r a i g h ty a r n t h eb r a i d i n ga n g l e so f t h e s ey a r n sa r er e s p e c t i v e l ys a m ew i t ht h a ti nt h ec o r n e rc e l la n dt h e i n t e r i o rc e l lo fac o m m o nf o u r s t e pb r a i d i n gp r e f o r m t h es u r f a c eu n i tc e l li nt h ej o i n tr e g i o ni sap e n t a g o np r i s m ，o fw h i c h t h ed i m e n s i o ni st h es a m ea st h es u r f a c eu n i tc e l lo fas i m p l er e c t a n g l e c r o s s s e c t i o n t h e r ea r ef o u rs p a t i a lo r i e n t a t e db r a i d i n gy a r n si nt h e s u r f a c eu n i tc e l lo ft h ejo i n tr e g i o n t h eb r a i d i n ga n g l eo fo n eo ft h e b r a i d i n gy a r n si sg r e a t e ra n dt h eo t h e rt h r e es m a l l e rt h a nt h a t i nt h e s u r f a c ec e l lo fac o m m o nf o u r - s t e pb r a i d i n gp r e f o r m t h r e et e s t i n gm e t h o d ，s l i c e - u pi nl o n gd i r e c t i o n ，s l i c e - u pi nc r o s s d i r e c t i o na n dx - r a ym i c r o t o m o g r a p ha r eu n d e r t a k e nt ov e r i f yt h eu n i tc e l l m o d e l se s t a b l i s h e d i ti n d i c a t e st h a tt h eu n i tc e l lm o d e l se s t a b l i s h e da r e c o r r e c t t h ec a l c u l a t i o na n dd e s i g no fp a r a m e t e r sf o r3 db r a i d e dp r e f o r mw i t h s i m p l er e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o na r en o ts u i t a b l ef o rt h o s ew i t hc o m p l e x r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nb e c a u s e t h e r ea r e s p e c i a l m i c r o s t r u c t u r e si n c o m p l e xs h a p e dp r e f o r m a c c o r d i n gt o t h eu n i tc e l lm o d e l se s t a b l i s h e d ， t h em e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r so f3db r a i d e dp r e f o r mw i t h c o m p l e xr e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o n a r e g i v e n f i r s to f a l l ， “d i s a s s e m b l e - a s s e m b l em e t h o d i sp r e s e n t e dt oc o n f i r mt h en u m b e ra n d a r r a n g e m e n to fs i xu n i tc e l l s ：t r a n s f o r mt h ec o m p l e xc r o s s s e c t i o nt o s i m p l ec r o s s s e c t i o n ，a n d t h e na s s e m b l et h e s i m p l ec r o s s - s e c t i o n t o c o m p l e xc r o s s s e c t i o n a f t e rg i v i n gt h eg e n e r a t i o nr u l eo fn e wu n i tc e l l s ， t h en u m b e ra n da r r a n g e m e n to fs i xu n i tc e l l sc a nb eg o t a c c o r d i n gt ot h e u n i tc e l lm o d e l sa n d “d i s a s s e m b l e a s s e m b l em e t h o d ”t h em e t h o df o r c o m p u t i n gt h ea m o u n ta n dv o l u m eo fe a c hu n i tc e l l i s p r e s e n t e d ，t h e e q u a t i o nf o rc a l c u l a t i n g t h ef i b e rv o l u m ef r a c t i o ni s d e r i v e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e np r e f o r mp a r a m e t e r s a r ed e v e l o p e d b a s e do nt h e e q u a t i o n s a n dr e l a t i o n s h i p se s t a b l i s h e d ，t h em e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h e d i m e n s i o no fc r o s s - s e c t i o ni s g i v e n t h ep r o c e d u r ef o rd e s i g n i n g t h e n u m b e r so fy a r n sa r r a n g e m e n ti sa l s op r e s e n t e df r o mp r e f o r md i m e n s i o n s ， y a r n sl i n e a rd e n s i t y ，f i b e rd e n s i t ya n df i b e rv o l u m ef r a c t i o n ap r e f o r m w i t hc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o nw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d t h e p r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gi ss u p p o r t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s n e x t ，i no r d e rt oc o n f i r ma n dju d g et h ee f f e c to nt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f3 db r a i d e dc o m p o s i t e sd u et ot h es p e c i a lm i c r o s t r u c t u r ei n t h ejo i n tr e g i o n ，b e n d i n gt e s t sa r et a k e nt oc o m p a r et h es i m p l er e c t a n g u l a r c r o s s - s e c t i o na n dc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n i ti sf o u n dt h a tt h eb e n d i n gd a m a g eo f3db r a i d e dc o m p o s i t e sw i t h s i m p l er e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o ni n c l u d ef o u rp h a s ea sf o l l o w s ：i n i t i a l p h a s eo fd a m a g e ，t r a n s i t i o n a lp h a s eo fd a m a g e ，s e r i o u sp h a s eo fd a m a g e a n dw h o l l yf a i l u r ep h a s e t h ed e s t r o yo f3 db r a i d e dc o m p o s i t e si sm u l t i p l e ， w h i c hi n c l u d e sd e s t r o yo fm a t r i x ，c r a z eo fi n t e r f a c ea n db r e a k a g eo ff i b e r t h ed a m a g eo fm a t r i xa n di n t e r f a c ei st h em a i nm o d e t h e r ea r ef e wf i b e r s b r e a k i n g a l t h o u g ht h eb e n d i n gd a m a g eo f3d b r a i d e dc o m p o s i t e sw i t hc o m p l e x r e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o ni sa l s oc o m p o s e do fs a m ef o u rp h a s e ，t h es p e c i a l m i c r o s t r u c t u r ew i l lr e s u l ti nt h ec r a z eo fi n t e r f a c ea n dd e s t r o yo fm a t r i x h a p p e n i n gi nt h ej o i n tr e g i o nu n d e rl o w e rl o a da n de a r l i e rt i m e ，w h i c hw i l l e m i tm u c hm o r ea c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t sw i t hl o w a m p l i t u d e t h i s c o n c l u s i o ni sv e r i f i e db yo b s e r v i n gs e c t i o na n da n a l y z i n gp a r a m e t e r so f a c o u s t i ce m i s s i o n t h i sr e s u l t si nt h a tc o m p a r e dw i t ht h es i m p l er e c t a n g l e ， t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f3db r a i d e d c o m p o s i t e sw i t hc o m p l e x r e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o nt r a n s f o r m sf r o ml i n e a r i t yt on o n l i n e a r i t ye a r l i e r i n a d d i t i o n ，t h et o t a ln u m b e ro fa c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t so fc o m p l e x r e c t a n g l ei s m o r et h a nt h a to fs i m p l er e c t a n g l ei nw h ol e p r o c e d u r eo f b e n d i n gd a m a g eb e c a u s eo ft h es p e c i a lm i c r o s t r u c t u r ei nt h ej o i n tr e g i o n ， n a m e l yt h ed a m a g ei sc o m p a r a t i v e l ys e r i o u s t h a ti st h er e a s o nw h yt h e u l t i m a t eb e n d i n gl o a do fc o m p l e xr e c t a n g l ei sal i t t l eb i tl o w e rt h a nt h a to f s i m p l er e c t a n g l e m o r e o v e r ，t h eb r a i d i n ga n g l eo fm o s ty a r n si nj o i n t r e g i o no f3 db r a i d e dc o m p o s i t e sw i t hc o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o ni s s m a l l e rt h a nt h a to fy a r n si nc o r r e s p o n d i n gr e g i o no ft h es i m p l er e c t a n g l e t h i sr e s u l t si nt h a tm o d u l u so f3 db r a i d e dc o m p o s i t e si sal i t t l eh i g h e r t h a nt h a to fs i m p l er e c t a n g l eu n d e rb e n d i n gl o a d k e y w o r d s ：c o m p o s i t e s ，3 db r a i d i n g ，c o m p l e xr e c t a n g u l a rc r o s s s e c t i o n ， m i c r o s t r u c t u r e ， u n i tc e l l m o d e l ，t e c h n i c a l p a r a m e t e r ， m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，d a m a g e 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：苏巍 日期：们年| 1 月“日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密区 学位论文作者签名：苏钇 指导教师签名： 弋 日期：0 7 年9 月“日 日期：。7 年9 月“日 1 1 研究背景 第一章引言 三维编织复合材料中，纤维或纱线不仅贯穿材料的长、宽两个方 向，而且贯穿材料的高度方向。这样就在三个方向上形成了一个不分 层的三维整体结构，消除了传统复合材料的层状结构，从根本上解决 了传统复合材料容易发生分层破坏的缺陷。三维编织复合材料作为一 种典型的结构和功能完美结合的先进复合材料，具有许多突出的优 点，如：高比强度、高比刚度、整体性好、异型件一次编织成形、结 构设计灵活、抗分层、抗冲击等，使其在航空、航天、交通、建筑、 军工、医疗、体育等领域具有广泛的应用。随着三维编织复合材料应 用的日益广泛，对于其细观结构、工艺设计及力学性能的研究也越来 越深入。迄今为止的研究的主要对象主要集中在对矩形截面三维编织 物的研究上。 然而，在三维编织复合材料的实际应用中，在很多情况下构件形 状并不是简单的矩形截面( 本文中称之为“常规矩形 ) ，而是以某类 异形截面的形式出现，如：工字形、t 形、l 形、口字形等等。虽然 这类异形截面的形状多种多样，但究其本质，它们大多是多个矩形的 组合。这类异形截面可以被称为矩形组合截面。本文对矩形组合截面 ( 在本文中，有时也称其为“异形截面”) 的定义是，编织物横截面 的几何形状是由两个或两个以上的矩形组合而成的截面，如：工字形、 t 形、l 形等。 对三维编织复合材料来说，其细观结构( 即材料中纤维束或纱线 的排列角度及交织方式) 是决定其力学性能的重要因素，是对其进行 工艺设计和力学分析的基础。而三维编织物的细观结构，是由三维编 织工艺和技术所决定的。对采用四步法编织而成的矩形截面三维编织 物，许多学者已经开展了较为全面的研究。研究表明，矩形截面三维 编织物的表面、棱角和内部区域分别具有相互不同的细观结构。 然而，现有的资料表明，对于以四步法为基础的编织技术编织矩 形组合截面三维编织物，采用的均是分组交替编织矩形单元的工艺。 从本文的以后章节中可以看出，这种编织工艺必将导致编织物在矩形 交接区域形成特殊的细观结构。由于这种特殊细观结构的存在，将影 响材料的力学性能。如果忽视这种特殊结构的影响，必然会使工艺参 数的计算、设计以及力学性能分析结果的准确性受到影响。 因此，有必要对矩形组合截面三维编织复合材料的细观结构进行 分析和研究，并在此基础上进行各工艺参数计算和设计，进一步还需 研究交接区域特殊的细观结构对材料整体力学性能的影响。 1 2 研究意义 矩形组合截面三维编织复合材料在许多领域都有应用。由于采用 了不同于常规矩形截面三维编织的工艺，使得矩形组合截面三维编织 复合材料具有特殊的细观结构，细观结构的特殊性必然影响其工艺参 数的计算及材料的力学性能。 通过本论文对矩形组合截面三维编织复合材料的细观结构、工艺 参数及力学性能进行研究，可以对这类异形截面三维编织复合材料有 较为全面的认识。通过建立交接区域内单胞的几何模型，可以直观地 反映交接区域特殊的细观结构，清晰地描述出交接区域内各纱线的排 列和交织情况，为进一步研究矩形组合截面三维编织复合材料奠定基 础。在单胞几何模型的基础上，给出计算和设计工艺参数的过程和方 法，可以直接用于生产实践，根据实际要求来预先设计或计算矩形组 合截面三维编织复合材料的各个参数。此外，通过研究还可以知道交 接区域特殊的细观结构对材料破坏、损伤等力学性能的影响，据此对 矩形组合截面三维编织复合材料在工程应用中的性能可以起到很好 的预测作用，避免在使用过程中出现意外。 1 3 研究目标 通过课题的研究，拟达到下列目标： ( 1 ) 建立能够反映矩形组合截面三维编织复合材料中交接区域 特殊细观结构的单胞模型。该模型能够描述出各编织纱线的排列、编 织角以及相互交织情况。 ( 2 ) 给出设计和计算矩形组合截面三维编织物各参数的过程和 方法。 ( 3 ) 评价交接区域特殊的细观结构对三维编织复合材料力学性 能造成影响。 1 4 研究内容及方法 三维编织复合材料的细观结构，是影响其力学性能的重要因素。 因此，本文首先对矩形组合截面三维编织物的细观结构进行了分析， 建立了反映纱线排列和交织情况的单胞几何模型。然后在此基础上， 给出了计算和设计工艺参数的过程和方法。最后，分析和评价了矩形 组合截面三维编织复合材料中的特殊细观结构对材料力学性能的影 响。 研究内容包括： ( 1 ) 建立矩形组合截面三维编织物交接区域单胞模型 在编织三维编织物时，由携纱器引导纱线运动，使得编织纱线在 三维空间相互交织。因此，携纱器的运动规律决定了三维编织物的细 观结构。本文从l 型截面三维编织物这种典型的组合截面入手，分析 编织过程中携纱器的运动轨迹，找出携纱器在通过矩形交接区域时具 有的特殊运动规律，描述矩形组合截面三维编织物中的矩形交接区域 所具有的特殊的细观结构。通过进一步的分析，找出分别在矩形交接 区域的表面、内部和内角区域中携纱器的运动规律，以确定相应的编 织细观结构。 采用控制体积法对矩形交接区域单胞的细观结构进行分析，建立 描述矩形交接区域细观结构的三种单胞几何模型，即交接内部单胞、 交接表面单胞和交接内角单胞。通过所建立的三种单胞模型，观察交 接区域的内部、表面和内角中纱线的排列和交织情况，探索相应的单 胞尺寸、纱线尺寸、花节长度和纱线编织角等之间的关系。 采用试验的方法对建立的三种单胞几何模型进行验证。具体的方 法为破坏式的切片法和非破坏式的x 一射线断层扫描成像法，分析和 比较这两种方法所得出结果。在此基础上，验证所建立的单胞几何模 型。 ( 2 ) 确定矩形组合截面三维编织工艺参数的计算和设计的过程 及方法 要对三维编织复合材料的各种参数进行设计和计算，仅有单胞几 何模型还是不够的，必须还要知道各种单胞的数量和分布情况。对于 常规矩形截面，可以根据现成的式，代入纱线排列数目进行计算。而 对于矩形组合截面，由于组合方式复杂多样，这种方法是不可行的。 在本部分的研究中，将给出一种新的方法，通过横截面的分解和组合， 来确定矩形组合截面三维编织物中各种单胞的数量，以及各种单胞在 横截面上的分布规律。 在此基础上，通过已知的纱线细度、密度、编织角以及纱线排列 分布等条件，计算出矩形组合截面三维编织物中各种单胞的纤维体积 分数、整个三维编织预型件的平均纤维体积分数、以及三维编织物的 横截面尺寸。 此外，根据设计目标和已知条件，计算所需编织纱线的根数和排 列，总结出使所编织的预型件满足设计要求的过程和方法。 ( 3 ) 分析和评价交接区域特殊细观结构对三维编织复合材料力 学性能的影响 通过对常规矩形截面和矩形组合截面三维编织复合材料的弯曲 对比试验，判定交接区域的特殊细观结构对三维编织复合材料的