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《三維五向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能分析細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、http://www.paper.edu.cn三維五向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能分析:1細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型*李金超,陳利,張一帆,孫菲天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所,天津市和教育部共建先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津(300160)E-mail:chenli@tjpu.edu.cn摘要:建立合理的三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型,對其力學(xué)性能的有限元分析具有重要影響。在實(shí)驗(yàn)觀察基礎(chǔ)上,建立了三維五向編織復(fù)合材料的單胞模型,該模型合理地反映了紗線的交織狀態(tài)和截面形狀。基于該模型建立了編織工藝參數(shù)之間的幾何關(guān)系。將預(yù)制件的外型尺寸和體積含量的計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較,吻合較好。
2、關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;編織復(fù)合材料;三維五向;單元胞體中圖分類號(hào):TB3321.引言隨著三維編織復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛,為了準(zhǔn)確預(yù)測其力學(xué)性能,對其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的深入研究顯的尤為重要.特別是隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,利用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析越來越[1-5]廣泛。以往三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究主要集中在三維四向編織結(jié)構(gòu)上,而三維五向編織復(fù)合材料由于第五向軸紗(以下簡稱為軸紗)的加入,紗線交織以及紗線間的擠壓變形[6]更為復(fù)雜,相關(guān)研究較少。李典森在分析了三維五向編織物紗線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,建立了三維五向編織結(jié)構(gòu)的單胞模型,并推導(dǎo)了有關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系,但其軸紗橢圓橫
3、截面假設(shè)[7]與實(shí)驗(yàn)觀察存在較大差異。陳利通過對三維五向編織復(fù)合材料的截面進(jìn)行觀察,分析了編織物紗線的排列規(guī)律及其截面形態(tài)的變化,為進(jìn)一步研究材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型提供了依據(jù)。本文以成型后的編織復(fù)合材料為研究對象,在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上,基于紗線運(yùn)動(dòng)規(guī)律及橫截面形狀變化,推導(dǎo)了編織工藝參數(shù)之間的關(guān)系,建立了三維五向編織復(fù)合材料的有限元單元胞體模型,為進(jìn)一步的有限元分析奠定了基礎(chǔ)。2.三維五向編織原理三維五向編織復(fù)合材料是在三維四向編織復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,在編織過程中引入沿編織成型方向伸直不動(dòng)的軸紗而形成的一種新的整體編織結(jié)構(gòu)。通過加入軸紗,可以有效提高材料沿編織成型
4、方向的剛度、強(qiáng)度等性能。在三維五向方型編織中,攜紗器在機(jī)器底盤按行和列的形式排列,主體紗的行數(shù)和列數(shù)分別用m、n表示,如圖1所示。1本課題得到新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-05-0254)和天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃(05YFJMJC04300)的資助。-1-http://www.paper.edu.cn圖1三維五向編織的紗線排列示Fig.1Arrangementoftheyarn’scarriersfor3-D5-directionalbraiding其中加筋比例為1:1,○代表掛編織紗的攜紗器,△代表掛軸紗的攜紗器,編織過程與四向編織復(fù)合材料相同,攜紗
5、器由沿行和列的交替運(yùn)動(dòng)控制,四步為一循環(huán),編織紗隨著攜紗器運(yùn)動(dòng),而軸紗的位置保持不動(dòng)。一個(gè)機(jī)器循環(huán)中獲得的沿軸向的編織長度稱為編織花節(jié)長度,用h標(biāo)示。圖1中?為編織紗線的水平取向角,即內(nèi)部編織紗線在水平面內(nèi)的投影與預(yù)制件厚度方向的夾角,對于四步法1×1方型編織預(yù)制件,理性狀態(tài)下?=45°。3.幾何模型的假設(shè)為了分析三維五向編織復(fù)合材料預(yù)制件的細(xì)觀結(jié)構(gòu),建立以下幾點(diǎn)假設(shè):(1)至少在一定編織長度內(nèi)編織工藝穩(wěn)定;(2)經(jīng)過擠壓成型的編織復(fù)合材料內(nèi)部的編織紗線,由于相鄰紗線的作用,其橫截面保持六邊形,如圖2所示,且其截面形狀沿紗線軸線方向保持不變;(3)軸紗由于
6、受編織紗線的擠壓,沿其軸線方向具有不同的橫截面形狀,且面積不變,所有橫截面在水平面內(nèi)的投影為一正方形,如圖3中虛線所示;(4)相鄰紗線都是互相緊密接觸的,編織紗和軸紗具有不同的紗線填充因子。以上假設(shè)中,假設(shè)(2)、(3)是在實(shí)驗(yàn)觀察做出的,為了進(jìn)一步有限元分析的方便,假設(shè)(3)中軸紗與編織紗之間的擠壓完全作用于軸紗,(1)、(4)則反映了編織物的實(shí)際情況。圖2編織紗橫截面圖3軸紗橫截面Fig.2Cross-sectionofbriaidingyarnFig.3Cross-sectionofAxialyarn-2-http://www.paper.edu.c
7、n4.單胞的選取和幾何參數(shù)之間的關(guān)系4.1內(nèi)部單胞模型對應(yīng)圖1所取內(nèi)部單胞,通過對三維四步(1×1)方型編織過程中對紗線運(yùn)動(dòng)路徑的分析,可得到圖4所示的單元胞體的紗線結(jié)構(gòu)示意圖,其在空間呈周期排列,單胞取向與預(yù)制件表面平行,單胞的長、寬分別為W、T,高為花節(jié)長度h。為了分析內(nèi)部紗線之間的幾何關(guān)ii系,以及它們與單胞模型尺寸的關(guān)系,可從此單元胞體中提取出能夠完全反映紗線間關(guān)系的分析模型,考慮到紗線實(shí)際的細(xì)度,采用CAD軟件模擬出擠緊狀態(tài)下兩根相鄰紗線接觸關(guān)系的實(shí)體圖,根據(jù)假設(shè),理想狀態(tài)下,接觸面相切,如圖5所示,其邊長為a,高為花節(jié)長度h,γ是編織物的內(nèi)部編
8、織角,其與內(nèi)部單胞成45°夾角。圖4預(yù)制件內(nèi)部單胞模型圖5內(nèi)部區(qū)域