編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

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1、3D編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能摘要?dú)w納、梳理三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征方面較有代表性的單胞模型,分析、比較各結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn),從理論分析與試驗(yàn)測(cè)試兩方面總結(jié)三維編織復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度性能的研究成果與進(jìn)展,探討細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征與力學(xué)性能預(yù)報(bào)中存在的主要問(wèn)題,并展望今后的研究重點(diǎn)與發(fā)展方向。關(guān)鍵詞三維編織復(fù)合材料;細(xì)觀結(jié)構(gòu);力學(xué)性能MicrostructureandMechanicalPropertiesof3DBraidedCompositesABSTRACTTypicalunitcellmodelsonmicrostructureof3Dbraidedcompositesw

2、eresummarized.Advantagesanddisadvantagesofvariousmodelswerecompared.Developmentsofresearchonmechanicalpropertiesof3Dbraidedcompositeswereintroducedfromtheoreticalanalysisandexperimentaltestperspectives.Finally,problemsinthepresentstudywerediscussedandfurtherdevelopmenttrendisprospectedKEYWOR

3、DS3Dbraidedcomposites;Microstructure;Mechanicalproperties1引言三維編織復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代為滿足航空航天部門對(duì)高性能材料的需求而研發(fā)出的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料,具有高度整體化的空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可有效避免傳統(tǒng)層合復(fù)合材料的分層破壞,沖擊韌性、損傷容限與抗疲勞特性優(yōu)異,結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)異形件的凈尺寸整體成型,因此在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域倍受關(guān)注。力學(xué)性能是三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心,直接關(guān)系應(yīng)用安全性與可靠性,細(xì)觀結(jié)構(gòu)是影響力學(xué)性能的關(guān)鍵,正確描述細(xì)觀結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)宏觀力學(xué)性能的必要前提。細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征與力學(xué)性能預(yù)報(bào)一直是三維

4、編織復(fù)合材料的研究重點(diǎn),具有重要的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。2三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)單胞模型Ko[1]首次提出“纖維構(gòu)造”術(shù)語(yǔ),定義出圖1所示的立方體單胞模型,單胞由四根不計(jì)細(xì)度的直紗線組成,紗線沿體對(duì)角線方向取向并相交于立方體中心,模型大致描述出了編織體內(nèi)部的紗線分布情況。圖1立方體單胞模型1986年,Ma,Yang和Chou[2]針對(duì)紗線間的相互作用,提出由三根正交基線和四根體對(duì)角線紗線組成的“米”字型單胞模型,如圖2所示,浸膠后的基線和對(duì)角紗線視為“復(fù)合材料桿”,在單胞中心處相互交叉。圖2“米”字型單胞模型同年Yang,Ma和Chou[3]又建立了圖3的纖維傾斜模型,纖維束

5、沿長(zhǎng)方體單胞的四個(gè)體對(duì)角線排列,平行于同一對(duì)角線方向的所有纖維在注入基體后形成一個(gè)單層板,四個(gè)傾斜單層板組成一個(gè)單胞,纖維傾斜模型應(yīng)用較廣泛。圖3纖維傾斜模型Li[4]等在圓形截面直紗線假設(shè)的基礎(chǔ)上,構(gòu)造出圖4所示的編織體內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型,紗線沿四個(gè)角度取向,分別位于單胞中兩組相互垂直的平面內(nèi),每個(gè)平面內(nèi)包含兩組取向角相差90°的紗線,同時(shí)Li等還發(fā)現(xiàn)編織體的表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)與內(nèi)部有所不同。圖4Li等的單胞模型Du[5]等認(rèn)為纖維傾斜模型過(guò)于簡(jiǎn)化,提出圖5的修正幾何模型,編織紗具有圓形橫截面,單胞由六個(gè)相互垂直平面切出的四根不完整紗線組成,高度為編織花節(jié)的一半。圖5Du的單胞模型Wan

6、g和Wang[6]發(fā)現(xiàn)紗線在編織體內(nèi)部、表面和棱角區(qū)域的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同,采用控制體積法分別構(gòu)造出內(nèi)部、表面和棱角單胞模型,如圖6所示。內(nèi)部單胞與Li定義的單胞相同,表面單胞和角單胞均為三棱柱體,表面單胞內(nèi)有兩根交織紗線,角單胞內(nèi)僅含一根紗線。圖6Wang等的三單胞模型Wu[7]考慮到纖維束在三維編織復(fù)合材料內(nèi)部、表面與邊角的不同交織方式,提出由內(nèi)部基元、邊界面元和角點(diǎn)柱元組成的三細(xì)胞模型,如圖7所示。內(nèi)部基元是立方體,紗線仍然交于一點(diǎn),面單胞也是立方體,未定義角單胞的精確外形。(a)基元單胞(b)面單胞(c)柱單胞圖7Wu等的三單胞模型Wang與Wu的單胞模型有兩個(gè)共同的缺點(diǎn):一

7、是單胞組合后,編織紗存在不連續(xù)的現(xiàn)象,二是將表面和角單胞中的紗線視為直線,與真實(shí)的彎曲形態(tài)不符。Chen[8]等構(gòu)造的內(nèi)部、表面和角單胞模型如圖8所示,內(nèi)部單胞與Wang相同,表面單胞和角單胞分別為三根和兩根彎曲紗線組成的五棱柱體,紗線形態(tài)較接近實(shí)際,且三種單胞組合后紗線連續(xù),較以往的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型有很大進(jìn)步。(a)內(nèi)部單胞(b)表面單胞(c)角單胞圖8Chen等的三單胞模型到Chen的工作為止,已達(dá)成三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部、表面和棱角區(qū)域需用不同單胞分別描述的共識(shí),三胞模型獲得廣泛認(rèn)可,研究

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