（飞行器设计专业论文）四向矩形编织复合材料几何细观结构和力学性能研究.pdf

南京航天航空大学博士学位论文 摘要 r 编织复合材料是近二十年新出现的先进材料，具有许多优越性能，咖于航空航天和 散工业。对其进行理论研究和性能预估，是曰益重要的前沿课题。少 本文详细研究了四向矩形编织复合材料的内部结构、表面结构和角柱结构。以矢量方法 推导公式，解析确定纤维束的路径、接触点位置、接触线形状、过接触处的公法线方向，得 到一些重要结果。从而为有限元分析计算提供了几何基础和所需数据。给出将材料划分为单 胞的正确方法和更符合实际的单胞图形，消除了现有划分方法的几个不足，统一了单胞数的 计算式。 发展出种有限元方法，分析了这种材料在纵向拉f 申下的力学响应。将纤维束划分为空 间梁元，忽略基体。但把基体对纤维束的连接作用体现为纤维柬相互接触处的固接，从而建 立梁元节点位移约束关系，形成材料的结构增广刚阵。通过编程计算，得材料应变和模量等 宏观力学量，还得纤维束的内力、内力矩、最大应力的值及位置、纤维束间的相互作用力等。 计算结果与实验值吻合良好，证实了方法的有效可行。有可能成为其它载荷工况下的力学分 析手段。 上述工作填补了该材料几何细观结构研究的一些空白，开辟了该材料模量和强度研究的 新途径。本文将这两方面探索作了实质性推进。 关链词：复合藉，矩形茹藐，四步痈须法，几何细窥结构，力摹硅能 四向矩形编织复合材料几何细观结构和力学性能研究 a b s t r a c t b r a i d e d c o m p o s i t e s a r ea d v a n c e dm a t e r i a l sc o m eo u t t w e n t yy e a r sa g o o w i n g t ot h e i r m a n ys u p e r i o rb e h a v i o r s ，t h e yh a v e b e e nu s e di na e r o n a u t i c s ，a s t r o n a u t i c sa n d g e n e r a li n d u s t r i e s t h e o r e t i ca p p r o a c ha n dp r e d i c t i o nf o rt h e i rp e r f o r m a n c e sh a v e b e c o m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e si n t e r i o r , s u r f a c ea n dc o m e ra r c h i t e c t u r eo f4 - d i r e c t i o n a l r e c t a n g u l a rb r a i d e dc o m p o s i t e si nd e t a i l v e c t o rm e t h o di s u s e dt 0 d e d u c em a t h e m a t i ce x p r e s s i o n s ，t h ep a t ho ff i b e rt o w si nt h em a t e r i a l ，p o s i t i o no f c o n t a c tp o i n ta n ds h a p eo fc o n t a c tl i n eb e t w e e na n yt w of i b e rt o w s ，a n dc o m m o n n o r m a lo fa n yt w of i b e rt o w s t h r o u g ht h e i rc o n t a c tp l a c e , a r ea l ld e t e r m i n e d a n a l y 石c a u y , s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s a r ed r a w n t h e s ee f f o r t sr e s u l ti n p r o v i s i o n so fg e o m e t r i cb a s i sa n dd a t an e e d e db yf o l l o w i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s r e m o v i n g s e v e r a ls h o r t c o m i n g so f e x i s t i n gm e t h o d sc l i v i d 堍t h em a t e r i a li n t ou n i t c e l l s , a c o r r e c td i v i s i o nm e t h o da n d c o r r e s p o n d i n g u n i tc e l l sg r a p h i c sw h i c ha r em o r e a p p r o x i m a t e t ot h er e a l ，a l ep r o p o s e d f o r m u l a st od 既豇m 协et h en u m b e r s o f u n i t - c e l l sb e c o m e u n i t y af i n i t ee l e m e n tm e t h o di s d e v e l o p e d t o s t u a y m e c h a n i c a l 醛；o o n s eo f c o m p o s i t e s u n d e r l o n g i t u d i n a lt e n s i o n 田1 ef i b e rt o w s a r ed i v i d e di n t os p a d a ib e a m u n i t s ，a n dm a 扛i xo f t h em a t e r i a l si so m i t t e d b u tm a l r i x se f f e c to n c o n n e c t i n g f i b e r t o w si se x p r e s s e di na d o p t e d s u p p o s i t i o nt h a tn o r e l a t i v ed i s p l a c e m e n t so c c u ra m o n g a l lf i b e rt o w sa tt h e i rc o n t a c tp o i n t s , w h i c hl e a d st oe s t a b l i s h m e n to fc o n s t r a i n e d r e l a t i o nb e t v c e e nn o d ed i s p l a c e m e n t so fb e a mu n i t s ，a n dl e a d st ot h ef o r m a t i o no f m a t e r i a l s a u g m e n t e ds t m c t u r a l - s t i f f - m a m _ x p r o n ga n dc a l c u l a t i n go b t a i n t h en - l a c f om e c h a n i c a lm e a s u r e m e n t ss u c ha ss w a i na n dy o u n g sm o d u l eo ft h e c o m p o s i t e s b e s i d e s , f o r c e sa n dm o m e n t s , s t r e s s sm a x i m a lv a l u ea s w e l la s o c c t m i n gp l a c e si ne a c hf i b e rt o w ，f o r c ea n dm o m e n t e x e r t e do n a n y f i b e rt o w b y i t s a d j a c e n t f i b e rt o w sb e c o m ea l lk n o w n n l en u m e r i c a ls o l u t i o n s a g r e e w i t h e ：e p e r i m e n t sw e l l p r o v i n gt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d n 豫 m e t h o d m a y b ea l s oa v a i l a b l ef o ro t h e rt y p e so f l o a dt e a r 崦o nt h em a t e r i a l s w o r kd o n ea b o v ef a l l ss e v e r a lg a p si ns t u d yo n g e o m e t r i cm i c r o s t m c t u r eo f t h e m a t e r i a l i n i t i a t e san e ww a yt oa n a l y z ea n dp r e d i c tt h em a t e r i a l sm o d u l ea n d s t r e n g t h f o rt h eb o t h e x p l o r a t i o n s ，t h i s d i s s e r t a t i o nh a sm a d eas u b s t a n t i v e p r o g r e s s k e yw o r d s ：c o m p o s i t e ，r e c t a n g u l a rb r a i d i n g ，4 - s t e pb r a i d i n gm e t h o d , g e o m e w i c m i c r o s t m c t u r e ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e 2 南京航天航空大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和范围 本课题来源于航天工业总公司项目“多向编织复合材料结构强度分析方法研 究”的子项目“三维编织复合材料力学模型与性能预估”。本文主要目标是研究三 维四向编织复合材料( 以下简称四向编织材料或简称材料) 的静态力学性能的分析预 估方法，为该材料的设计应用提供基础。 该子项目的研究工作必须涉及的范围有：材料的编织工艺，材料的细观几何结 构和几何模型，材料的力学模型及分析计算方法。整个研究围绕这三方面进行。 1 2 国内外进展情况和存在问夏 与钢、铝、铁等传统材料相比，近代和现代复合材料的重量轻，比强度、比模 量高，性能可设计，得到飞速发展。它最初应用于航空航天等领域，继而在建筑、 机械、汽车、能源、石油化工、造船、生物工程、医疗和体育器材、武器装备等部 门得到日益增多的应用。 四十年代出现的层合复合材料正在起越来越重要的作用，优点众所周知。但它 层间强度低而易分层、抗损伤冲击能力较差、厚度方向的剐度小等致命弱点，阻碍 了使用范围的大幅扩展。 八十年代发展起来的三维四向编织复合材料因其中的增强长纤维在空间密集地 相互交织成一整体、形成连续的立体多向的增强结构，从根本上解决了层合复合材 料易脱层的问题。其冲击、损伤、疲劳强度高，可制造复杂形状的构件，可接近实 际形状的制造，成型工艺性好，省工时材料，费用较低。若采用高强度高模量的纤 维( 碳、硼等纤维) 和碳基体，则可耐高温烧蚀。越来越受重视，成为理想的高性能 结构材料。在宇航工业中己被用于弹头帽、卫星罩、火箭喷管等。九十年代以来， 三维编织复合材料的几何结构和力学性能成为研究热点。 在多向编织技术发展过程中，已发明多种编织方法，其中四步法、二步法工艺 代表该领域的主流。根据织机和产品形状，每种方法又分为矩形编织和圆形编织。 矩形编织用来生产具有直角结构的织物，如方块、t 形梁、工字梁等。圆形编织则 ， ：产具有圆形横截面的旋转体，如圆棒、圆管、圆锥管等。本文主要研究四步法矩 形编织复合材料。下面对此综述。 先由许多根纤维组成纤维束，再将若干根纤维束编织成织物，三维编织复合材 料具有复杂的几何细观结构。细观结构是决定性能的主要因素。因此从编织复合材 料研究一开始，关于细观结构和力学性能关系的论文就源源不断地发表。这是编织 复合材料研究的一个显著特点。做性能理论分析的前提是先了解结构。任伺力学模 型都必须建立在一定的几何模型上，建立在正确几何模型上的力学模型才可靠。 1 四向矩形编织复合材料几何细观结构和力学性能研究 二三维编织复合材料中的增强结构比层合复合材料的增强结构复杂和多样化。既 带来设计自e h 度增加、性能多样性的益处，也增加了性能分析的复杂性和难度。在 建立复合材料的几何力学模型时，单胞概念常被采用，即视材料为单胞的重复构成。 在已知纤维和基体性能、织物结构及单胞模型的基础上，人们希望通过计算得知材 料力学性能。学者们为此付出大量努力，取得许多成果，这些成果大多为模量分析。 对四向编织材料，国内外已产生了一些几何力学模型。1 9 8 6 年美国u n i v o f 1 ) e l a w a r e 的m ac h a n gl o n g 、y a n gj e n nm i n g 和c h o ut s uw e i 提出材料单胞的“纤 维倾斜模型”2 、3 1 后被发展成“层板模型”【4 、5 、“。这种模型出现较早、影响很大、 被不少研究工作采用，已被用于预报材料刚度性能和强度性能1 。它假定纤维是沿 立方体单胞的四个对角线，材料是四个单向层板的复合，各层板具有相同厚度，纤 维体积含量与整个材料的相同，忽略纤维束之间和层板之间的互锁和相互作用，忽 略纤维在材料表面和角柱处的弯曲。 经较详细研究而建立的“三胞模型”，由美国n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v 的l i w e i 等人于1 9 9 0 年提出川。d r e x e lu n i v 的w a n gy o uq i 等人于1 9 9 4 - - 1 9 9 5 年作了 进一步发展【8 、“”) 。它指出材料的内部纤维是直线路径，位于平行于材料长度方向 且与材料侧面成4 5 0 的两族互相正交的平厦上：存在三种单胞：内胞、面胞和角胞； 纤维在三种单胞中的编织角不同，但彼此间有确定关系。他们导出相应的几何参数 尺寸和刚度的计算式。1 9 9 3 年北京宇航系统工程研究所的吴德隆用此模型导出刚度 公式并研究材料的双模量、弹塑性本构关系和损伤对材料性能的影响f 1 “l 。“三胞 模型”符合实际情况，考虑到了纤维束路径和倾角在材料内部、表面和角柱处的不 同，并去除了上述种种人为假定。基于该模型获得的计算结果应较“层板模型”更 准确。此判断被弹性常数和强度的实验结果所证实l l ”。 在国内，天津纺织工学院在编织技术应用方面具有优势，对编织工艺和几何细 观结构研究得较详细和准确，发表了众多论文。 国内外在几何结构和刚度性能方面做的工作较多，研究相对深入，计算结果较 好。限于篇幅，这里不再列出相应文献。 四向编织材料强度方面的工作可分两类：一类是只做强度试验，观察损伤失效 模式，分析原因机理，了解参数对性能的影响，积累数据- 2 3 1 ；一类是兼有预估和 试验，即假定或推导出一些较简单的预估公式 2 4 - 2 8 i ，或从层板公式导得编织材料的 预估公式【5 “，将计算值和试验值比较。施加载荷种类有：剪切，弯曲，纵向拉伸、 压缩，横向压缩，纵横双向压缩等。 刚度是材料的接体性能即宏观平均性能。局部的缺陷、削弱和估计不准，一般 并不引起刚度的明显差别。强度问题比几何结构、刚度问题复杂。强度反映材料的 局部性能，影响因素多，分散性大。如纤维或基体分布不均，空隙和微裂纹，残余 应力，界面情况，工艺质量，少数纤维的断裂等，均可能较显著地降低材料强度和 改变破坏形式。在材料失效以前，还有损伤过程。力学建模中难以全面考虑这些因 ， 南京航天航空大学博士学位论文 素。简单的模型往往不能真实代表实际材料，而复杂的模型往往繁琐，不利于工程 实用。对单向复合材料，尽管许多学者作了大量研究，用细观力学预报强度尚 有许多不成熟误差大的地方，实用上仍主要依靠实验测定1 2 9 i 。相比较，结构复杂得 多的编织材料力学性能分析显得更为困难，目前还不能对其每种力学性能都作出准 确预报，在建立合适力学模型方面还有较长的路要走。但理论的重要性必要性是不 言而喻的。理论分析可估价细观结构及纤维和基体的参数对材料性能的影响，指导 材料设计和性能改进，节省大量试验费用。 四向编织材料现有分析方法大多只能求出材料的平均应力应变，很难确定任一 点的受力。与单向复合材料不同，即使受单向载荷，编织材料中任一点应力应变都 为复杂状态，数值各处不同。而对损伤和强度问题，知道材料在任一点的应力应变 值比知道平均值更有意义。这恰好是目前方法所欠缺的。 现有方法的另一不足是忽略纤维束间相互作用。纤维是材料的主承力构件。编 织之后，纤维之间、纤维束之间形成接触互锁：注胶后成为更坚韧的整体。其受力 响应与纤维在编织前，或与层板中纤维仅依靠基体来相互联系时的受力响应明显不 同。纤维束问的交织接触，使材料整体性好，消除了分层现象，抗冲击和抗损伤能 力强，同时也带来力学分析的困难i ”】。不考虑纤维束互锁，从已有文献中的理论值 和计算值的对比来看，对弹性常数的预估而言，可能影响不大；但对强度和损伤分 析，显然会有较大影响。考虑纤维束间相互作用，才能准确掌握纤维束的受力情况。 1 3 研究内容 本文主要研究内容是 1 四步法编织工艺，预制件的形成。 2 材料的细观几何结构构造，即内部结构、表面结构和角柱结构。 3 材料的有限元力学模型，计算方法和编程。计算结果分析及结论。 1 4 研究思路和方法 编织复合材料的几何结构由编织工艺决定。故需先研究编织工艺和预制件如何 形成，再研究几何细观结构及特点，推导相应公式，以得到有限元计算所需尺寸参 数值。 因纤维束在材料表面和角柱处为曲线，较难研究确定其路径，现有文献通常将 其处理为直线。这样做会给强度和损伤分析带来较大误差，故需重点研究材料的表 面结构和角柱结构，得到较准确的纤维束路径。 采用有限元方法求所研究问题的数值解。将各纤维束划分为空间梁单元，组集 结构的刚度矩阵。因材料性能主要由织物结构和纤维性能决定，有限元分析时略去 四向矩形编织复合材料几何细观结构和力学性能研究 基体，将基体对纤维束的连接作用体现在假定相邻纤维束在接触点处为“圃连”即 有完全相同的线位移。“固连”意味着各梁元节点的位移之间有约束，将它们考虑进 结构节点平衡方程组求解。计算值和实验值的对比，表明这样做是可行的。 为使推导容易、表达简洁和便于应用，采用矢量来描述三维空间中的点和方向， 推导相应方程。 往v i s u a lf o r t r a n5 0 软件环境中用f o r t r a n 语言进行有限元程序的编制和运行。 用a u t o c a d 2 0 0 0 软件绘制各个图形。用e x c e l 9 7 软件绘制有限元计算结果的曲线图。 1 5 创新之处 对四向矩形编织复合材料，本文的主要仓q 新点是 1 发现纤维束横截面为圆形且织物处于打紧状态时，材料的内部纤维束与材料宽、 厚及离方向具有相同的的夹角。因此当纤维束根数多而材料内部区域占整个材 料体积的较大部分时，材料在宽、厚、高方向上将有近似相等的力学性能。 2 找出了内部纤维束之间接触点的位置分布规律。这对妥善划分内部纤维束的单 元即确定节点位置，在使得梁元的受力简单、使得纤维束之间位移约束关系式 的简单等方面，发挥了重要作用。 3 提出内部纤维束有限单元及节点的一个新取法。新取法下的有限单元是三维单 7 c ，采用它能更好表达内部纤维束横向的力学响应，从而将有益于较好地预估 材料的横向变形、横向应变和泊松比。 4 首次详细研究了纤维束在材料表面和角柱的结构、路径、纤维束间的接触情况。 推导出的一套解析公式可为数值力学分析提供较准确的全部点坐标和其它几何 数据。填补了这方面一些空白，有利于材料单胞图形的正确建立。已经且将 继续在力学性能研究的深入细致和精确化进展中发挥作用。 5 提出一种正确合理的材料单胞划分方法，消除了已有划分方法的几个不足之处， 统一了内胞数、面胞数、角胞数和单胞总数的计算式。有助于对该材料几何细 观结构的准确把握，为力学分析提供更好几何基础。 6 给出一种新的有限元力学模型及计算方法。用它可求出材料的宏观变形、应变 和模量；可求出任纤维束受到的周围纤维束给它的力和力矩，从而得知纤维 柬的内力和内力矩：可求出任一纤维束中任一点的应力应变、纤维束的最大正 心力和最大剪应力，从而解决材料的强度预报问题。它为材料刚度、强度和损 伤研究开辟了新途径。 j 经反复改进，编制出一套能计算该材料纵向拉伸下的力学性能的有限元位移法 通用程序。其它载荷的场合也可能适用。 1 6 参考文献 4 堕室堑鲞堕窒奎堂竖主堂篁堡苎 1 j e n n m i n gy a n g c h a n g l o n gm a & t s u - w e ic h o u f i b e r i n c l i n a t i o nm o d e lo f t h r e e d i m e n t i o n a lt e x t i l es t r u c t u r a lc o m p o s i t e s j o u r n a lo fc o m p o s i t em a t e r i a l s ， 19 8 6 ，4 7 2 - - 4 8 4 2 f r a n kk k o & c h r i s t o p h e rm p a s t o r e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f a ni n t e g r a t e d3 - d f a b r i cf o rs t r u c t u r a lc o m p o s i t e s c o m p o s i t em a t e r i a l s ，1 9 8 5 ，4 2 8 - - 4 3 9 3f r a n kk k o t e n s i l es t r e n g t ha n dm o d u l u so fat h r e e - d i m e n s i o n a lb r a i dc o m p o s i t e p r o c e e d i n g so f 2 n dus j a p a nc o n f e r e n c e o n c o m p o s i t e s ，19 8 6 ，3 9 2 - - 4 0 3 4z h o u g u a n g m i n g ，w a n g x i n w e ia n dq i a ox i n i n c l i n e dl a m i n a lc o m b i n a t i o nm o d e l o f3 db r a i d e dc o m p o s i t e s t r a n s a c t i o no fn a m i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s ，1 9 9 5 ( 1 ) ，8 - 1 4 5 h u i y us u na n dx i nq i a o p r e d i c t i o no ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h r e e d i m e n t i o n a l l yb r a i d e dc o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ( 5 7 ) ， 6 2 3 - 6 2 9 6 孙慧玉，吴长春，卞恩荣三维编织复合材料面内剐度和强度性能研究北京：复 合材料学报，1 9 9 8 ( 4 ) ，1 0 2 - 1 0 6 7 wl i m h a m m a d & a e l - s h i e k h s t r u c t u r a la n a l y s i so f3 - db r a i d e dp r e f o r m sf o r c o m p o s i t e s p a r ti ：t h ef o u r - s t e pp r e f o r m s j o u r n a lo f t h et e x t i l ei n s t i t u t e ，19 9 0 ( 4 ) ， 4 9 1 5 1 4 8 y q w a n g & a s d w a n g o n t h et o p o l o g i c a ly a ms t r u c t u r eo f3 - dr e c t a n g u l a r a n dt u b u l a rb r a i d e d p r e f o r m s c o m p o s i t e ss c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，19 9 4 ( 5 1 ) ， 5 7 5 - 5 8 6 9 y o u q iw a n g & a s d w a n g m i c r o s t r u c t u r e p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p si n t h r e e d i m e n t i o n a l l yb r a i d e df i b e rc o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ( 5 3 ) ，2 1 3 2 2 2 10 yq w a n g & a s d w a n g g e o m e t r i cm a p p i n go fy a ms t r u c t u r e sd u et os h a p e c h a n g ei n3 - db r a i d e dc o m p o s i t e s c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 9 9 5 ( 5 3 ) ， 2 1 3 - 2 2 2 1 1 吴德隆，郝兆平五向编织结构复合材料的分析模型北京：宇航学报， 1 9 9 3 ( 3 ) ，4 0 5 l 12 d l w u t h r e e c e l lm o d e la n d5 db r a i d e ds t r u c t u r a l c o m p o s i t e s c o m p o s i t e s s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，19 9 6 ( 5 6 ) ，2 2 5 2 3 3 13 沈怀荣，郑文龙三维编织圆管力学性能及火箭级间段模拟结构承载能力研究 长沙：国防科技大学学报，1 9 9 9 ( 1 ) ，8 - 1 2 14 a l e k s a n d e rb m a c a n d e r , r o g e rm c r a n e ，e t c f a b r i c a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fm u l t i d i m e n s i o n a l l y ( x - d ) b r a i d e d c o m p o s i t em a t e r i a l s c o m p o s i t em a t e r i a l s ， 19 8 6 ，4 2 2 - 4 4 3 婴塑堑型塑堡星鱼盟型些塑塑婴堕塑塑垄兰丝丝竺壅 一 一 l5 w e il i & a l ye ls h i e k h t h ee f f e c to fp r o c e s s e sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so n3 - d b r a i d e dp r e f o r m sf o rc o m p o s i t e s 3 3 t hi n t e r n a t i o n a ls a m p es y m p o s i u m 1 9 8 8 ， 1 0 4 1 1 5 1 6 d l i a o t m t a n & f r a n kk k o c o m p r e s s i v eb e h a v i o r o f 3 db r a i d e dc o m p o s i t e s ， p a r t l ：e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s 3 6 t h i n t e r n a t i o n a ls a m p es y m p o s i u m 1 9 9 1 ， 1 2 9 - 1 4 0 l7 lv s m i t h & s r s w a n s o n f a i l u r eo fb r a i d e dc a r b o n e p o x yc o m p o s i t eu n d e r b i a x i a l c o m p r e s s i o n j o u r n a l o f c o m p o s i t e m a t e r i a l s ，1 9 9 4 ( 1 2 ) 1 1 5 8 1 1 7 7 1 8 g j ，f i l a t o v s r l s a d l e r , e t c f r a c t u r eb e h a v i o ro fa3 - db r a i dg r a p h i t e e p o x y c o m p o s i t e j o u r n a lo f c o m p o s i t em a t e r i a l s ，1 9 9 4 ( 6 ) ，5 2 6 5 4 1 1 9 李嘉禄，肖丽华，董孚允立体多向编织结构对复合材料性能的影响北京：复 合材料学报，1 9 9 6 ( 3 ) ，7 1 - 7 5 2 0 黎观生，李建有，徐新三维编织复合材料拉伸性能试验研究北京：材料工程， 1 9 9 7 ( 6 ) ，2 0 4 1 2 1 卢子兴，冯志海，寇长河等编织复合材料拉伸力学性能的研究北京：复合材 料学报，1 9 9 9 ( 3 ) ，1 2 9 - 1 3 4 2 2 庞宝君，杜善义，韩杰才等三维四向编织碳环氧复合材料实验研究北京：复 合材料学报，1 9 9 9 ( 3 ) ，1 3 7 - 1 4 1 2 3 三维编织工艺参数对复合材料拉伸性能的影响北京：宇航材料工艺，2 0 0 0 ( 1 ) ， 5 5 - 5 8 2 4 s u r y ar k a l i d i n d ia n da b d e la b u s a f i e h l o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s em o d u l ia n d s t r e n g t ho fl o wa n g l e3 - db r a i d e dc o m p o s i t e s j o u r n a lo fc o m p o s i t em a t e r i a l s ， 19 9 6 ( 8 ) ，8 8 5 - 9 0 5 2 5 v i s h n us a v v a ，h a r o l dg a l l e n ，e t c t h r o u g h t h e t i l i c k n e s st e n s i o ns t r e n g t ho f3 - d b r a i d e d c o m p o s i t e s j o u r n a l o f c o m p o s i t e m a t e r i a l s ，1 9 9 4 ( 1 ) ，5 1 6 7 2 6 c m p a s t o r e & e k k o m o d e l l i n g o ft e x t i l es t r u c t u r a l c o m p o s i t e s ，p a r t i ： p r o c e s s i n g s c i e n c em o d e lf o rt h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d i n g j o u r n a lo ft h e t e x t i l e i n s t i t u t e ，1 9 9 0 ( 4 ) ，4 8 0 , , - 4 9 0 2 7 t e r r y ce m e h e l p r e d i c t i o no fc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fl a m i n a t e da n dt e x t i l e c o m p o s i t e su s i n g at o w c o l l a p s em o d e l a i a a - 9 6 1 4 7 7 一c p ，1 4 6 8 1 4 7 8 2 8l vs m i t h & s r s w a n s o n e f i e c to fa r c h i t e c t u r eo nt h es t r e n g t ho fb r a i d e dt u b e s u n d e rb i a x i a lt e n s i o na n dc o m p r e s s i o n j o u r n a lo fe n g i n e e r i n gm a t e r i a l sa n d t e c h n o l o g y ，19 9 6 ，4 7 8 - 4 8 4 2 q 沈观林复合材料力学北京：清华大学出版社，1 9 9 6 ，9 3 3 ( ) 王震鸣，杜善义，张恒、范赋群复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价 ( 第一册) 北京：北京大学出版社，1 9 9 8 ，2 1 1 堕室堕鲞堕窒查堂堕主堂垡笙茎 第二章四向矩形编织复合材料预制件的编织工艺 2 1 四步法编织过程 四向编织复合材料是先在编织机上用四步法将其增强体- 一纤维束( 又称纺纱a 每根纤维束由许多根纤维合并而成) 编织成预制件( 又称织物) ，再被基体( 如环氧树 脂、酚醛树脂等1 浸渍，然后经加热固化而成。 预制件的细观结构由编织工艺决定。纤维束由引纱器携带，预制件成型于织机 底盘上方。以编织矩形横断面的织物为例，介绍四步法编织过程如下( 图2 - 1 ) 。 每根纤维束的一端固定在底盘的上方，另一端通过一牛筋与放在底盘上的一个 引纱器相连。引纱器在底盘上排成矩形阵列。编织时，先做初始化，即把引纱器移 到各自初始位置，然后由多次移动引纱器及对已交织纤维束的打紧操作来织出预制 件。四步法是在一个机器循环中，各引纱器都运动四步。 第一步：奇数行左移一列，偶数行右移一列。 第二步：奇数列下移一行，偶数列上移一行。 第三步：奇数行右移一列，偶数行左移一列。 第四步：奇数列上移一行，偶数列下移一行。 通常接着将杆状物插入纤维束之间，对经过编织己交织的纤维束做几次向上的打紧 动作，使它们相互挤紧接触，形成新的- 4 , 段密实稳定的织物结构。重复上述机器 循环，织物将不断延伸变长，直至达到所要长度。 图2 1 口中的虚线框内的矩形区域称为中心区，又称主体区。当引纱器作行移 动时，中心区外的两行引纱器不动；当列移动时，中，t l , 区外的两列引纱器不动。以 上四步法中，引纱器的水平和竖直运动移过相等距离，故称l ：1 四步法。 若中心区阵列的彳亍数为m ，列数为n ，则称阵列为m x r l 阵列，而称相应的织物、 材料和编织为m x q 织物、m x f 材料和m x n 编织。图2 1 是2 x 2 编织情况。 引纱器0 1 在一个机器循环中的轨迹如图2 一1 6 所示，其中1 、2 、1 6 是 第l 、2 、1 6 步的走步序号，箭头表示走步方向。在第l 、6 、9 、1 4 次走步时， 引纱器0 1 在原地不动，故只有走步序号，没有相应的走步箭头。经过中心区内的走 步3 、4 和1 1 、1 2 ，实际上是实现了沿4 5 0 斜向的移动，如图中斜线及箭头所示，即 每一斜线箭头对应于中心区内的两次走步。引纱器2 0 在一个机器循环中的轨迹如图 ! 2 c 所示。跟踪引纱器1 l 、2 2 、3 2 和1 2 、1 3 、2 l 的移动路线可见，它们的移动路 线同引纱器o l 和2 0 ，但走步位置依次滞后4 步。 纤维束是连续的，有一定粗细，相互之间不可能相交而只能交错，且在牛筋的 拉紧下要取最短路径。故纤维束轨迹不同于引纱器轨迹。在织物内部，纤维束沿两 4 5 。斜向分布，沿同一4 5 。斜向且在同一高度的相邻纤维束的轴线错开纤维束直径的 距离( 设纤维束为圆截面1 。 7 婴塑堑垄鱼堡墅塑壁垒塑塑婴箜塑塑垄堂堡! ! 堕堑 0 1 】11 1 3 i 2 02 l2 2 3 2 初始位置 0 l i 1 l1 2 1 刁一 ；2 0 叫 2 2 3 2 第一步 1 3 i r0 l 2 1 i l 1 2 b 2二_ 卜一 2 0 j 1 3 i -：o l j 一 ：1 2 j 型2 2 】 2 0 t 第= 步 1 1 i ：3 21 习 2 1 i l 1 2 ：2 0 j f 2 2 第三步 第四步 ( a ) 一个机器循环中引纱器的移动 ( d ) 纤维柬在织物横截面上的投影 3 ( c ) 引纱器2 0 、1 2 、1 3 、2 1 的轨迹 图2 11 ：1 四步法2 x 2 编织中引纱器的移动、引纱器和纤维束轨迹 全部纤维束的空间轨迹在织物横截面上的投影如图2 一l d 所示。为和引纱器轨 迹对比，图2 1 6 和2 1 c 中画出了沿4 5 。斜向的虚线及箭头，分别示意该投影及织 8 堕室堕垂堕至奎堂竖主兰焦笙苎一 物编织增长时纤维束延伸方向。为容易绘图，图2 - 1 6 图2 - 1 d 将纤维束在织物表面 和角柱处轨迹的投影画成折直线，它们与真实轨迹投影( 见节3 3 和3 4 ) 略有差别。 图2 - 2 和图2 - 3 分别示出2 x 3 编织和3 x 3 编织的情况e o l0 3 ；i i 1 21 3 1 4 i 2 0 ：2 1 2 2 2 3 ： 3 2 初始位置 0 l0 3 l i i 一一 1 21 3 1 4 一 +2 02 l2 22 3 3 2 第一步 1 3 _ _ 一 i i io l2 l0 3 i 1 2 ：3 2 1 4 2 3卜一 一一 2 02 2 i 1 3 i 一一 1 1 lf t 一 2 l0 3 1 23 21 42 3 2 0 1 i 2 2 第二步 1 l j 2 l ；3 2 1 32 30 3 i 1 22 00 l2 2 f 1 4 f 第三步第四步 ( a ) 一个机器循环中引纱器的移动 二41 ： ( c ) 纤维束在织物横截面上的投影 图2 - 21 ：1 四步法2 x 3 编织中引纱器的移动、引纱器和纤维束轨迹 9 堕塑堑堑塑堡墨盒盟整些塑塑塑鳖塑塑塑堂堡! i 竺壅 o ( a 1 纤 0 l 0 3 叮i _1 2 1 习1 4 i i 2 0；2 12 2 2 3 ： b l 3 2 3 3 ： 3 4 l 4 2 初始位置 0 10 3 l 1 1叮f1 31 刁 ；2 0 2 l 2 2 ： 2 3 i 3 1 色互 3 3型 4 2 第一步 1 3 _ r i f0 lj 一 0 3 1 1 2；3 3 1 4 2 3- _ _ 色l _ 2 0型2 2 3 23 4 i 1 3 i l 1 1 o l 2 l碉 1 2 3 31 412 3 l 3 1 1 2 0 4 2 到 3 2 f 3 4 第二步 1 1 i 2 1 5 f1 3j l0 3 l 1 2：3 10 14 2 邑 1 4 j 当2 2 i f 2 0 f 第三步第四步 ( a ) 一个机器循环中引纱器的移动 4 1 l ( b ) 纤维束0 3 、2 1 、3 1 、3 2 、1 4 的轨迹 ( c ) 纤维束4 2 、2 0 、1 2 、1 3 、2 3 的轨迹( d ) 纤维束在织物横截面上的投影 图2 3l ：1 四步法3 x 3 编织中引纱器的移动、引纱器和纤维束轨迹 南京航天航空大学博士学位论文 2 2 四步法工艺参