三维机织复合材料拉伸损伤

不同结构厚截面三维机织碳纤维复合材料的弯曲性能对比高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【摘要】为准确分析不同结构厚截面复合材料不同方向上的弯曲性能差异,通过设计织造三向正交、浅交直联、浅交弯联3种典型机织结构的厚截面碳纤维三维机织物,并采用真空辅助树脂成型工艺制备了近似纤维体积含量的碳纤维复合材料板,对其进行了XYZ方向的弯曲实验.结果表明:三向正交结构由于内部纤维束近似平直,碳纤维束自身性能得到最大利用,对应复合材料经向弯曲强度最好;浅交直联结构复合材料的Z经和Z纬弯曲强度累加值最大,其厚度截面上的综合弯曲性能最好,且其他各方向的弯曲强度较为均衡;浅交弯联结构内部纱线交织摩擦损伤严重,且经纱屈曲程度最大,对应复合材料经纬向弯曲性能均为最差.%In order to investigate bending properties of carbon fiber composites with varied three-dimensional ( 3-D ) woven structures, Shallow-Straight-Joint, Shallow-Bend-Joint and three-directional (3-D) Orthogonal as basic structures of composite performs were selected. All these performs were woven with carbon fibers and prepared to be composite samples by vacuum assised resin infusion ( VARI ) technology. The bending properties in three directions of XYZ were tested and compared among the three structures. With comparing the bending performances of different structural composites, some conclusions are conducted as follows:3-D orthogonal structural reinforcement preform has the highest contribution to the composite mechanical properties, because its warp yearns are straightly maintained in the structure. Composites with the Shallow-Straight-Joint structure has the highest cumulative bending strength in Z-warp directionand Z-weft direction. Its bending properties are relatively balanced in all directions. Owing to the frequently interlocking and the farthest warp crimp, composites with Shallow-Bend-Joint structure achieve the worst bending properties in the warp and weft direction.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2017(038)009【总页数】6页(P66-71)【关键词】碳纤维;三维机织复合材料;弯曲性能;厚截面;角联锁结构;三向正交结构【作者】高雄;胡侨乐;马颜雪;张琦;魏毅;邱夷平【作者单位】东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620;东华大学民用航空复合材料协同创新中心,上海 201620;东华大学纺织面料技术教育部重点实验室,上海 201620;东华大学纺织学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TB332随着航空航天业的迅速发展，三维纺织结构先进复合材料制备[1-3]及结构性能拟合设计[4-6]的相关文献报道越来越多，但研究对象的截面厚度基本集中在10 mm 以下。

三维机织物和三维织机综述目录三维机织物和三维织机综述 (1)1.1三维机织物的研究现状 (1)（1）三维针织复合材料 (1)（2）三维编织复合材料 (1)（3）三维缝合复合材料 (2)（4）三维机织复合材料 (2)1.2三维机织物预制件的结构组织 (2)1.2.1正交组织 (2)1.2.2角联锁组织 (3)1.2.3三向交织组织 (3)1.3三维织机 (3)1.3.1国内外研究动态 (3)1.3.2织机的原理 (4)1.3.3织机的设计 (4)1.1三维机织物的研究现状今天，纺织材料正在蓬勃发展，并随着时间的推移而形成，它们取代了传统的金属、陶瓷，并被用于空间、航空和军事技术领域，并逐步拓展于汽车、船舶、机械和电子等。

复杂的三维结构，产生三维纤维的倾向，现在有各种不同的和非常有效的性能，形态具有可设计性，因此，三维纺织技术在国外迅速发展，国内也在努力研究。

现在我们所知道的的三维复合材料可分为三维针织、编织、缝合和三维机织。

（1）三维针织复合材料针织物特别适合作为深拉复合材料的增强结构，它还可以通过衬垫纱来制作结构稳定高的结构材料。

我们通过将针织物结构与针织物结构两两相结合，即可加强织物结构和针织物结构。

各种材料的开发能力和能量吸收能力都在显著提高，载荷和疲劳强度都在提高。

随着针织工业的快速发展，针织物做增强材料的市场占有率正逐年增高，且增长率最快。

针织技术、工艺、设备的改进和创新，使针织物具有更大范围的可设计性，在各个技术领域都受到了人们的高度关注和研究。

目前经编织物在三维针织物中占据绝大地位。

（2）三维编织复合材料编织是目前第一个用来制造三维复合材料预制件的纺织工艺，它是将两条以上的纱线在斜向或者纵向上相互交织，形成整体结构件。

在1960年以后就已经被应用。

三维编织复合材料具有高比强度、高比刚度、抗冲击韧性好等诸多优点，相比于层合复合材料制作工艺，这种三维编织结构非常适合高产结构生产。

空间技术和军备的主要领域现在将得到广泛应用。

2.5D 机织C f /Al 复合材料热残余应力与热变形细观力学分析童 德, 蔡长春, 王振军*, 刘燕武, 张益豪, 余 欢, 徐志锋（南昌航空大学 航空制造工程学院, 南昌 330063）摘要：采用细观力学数值模拟与热性能实验结合的方法，研究2.5D 机织C f /Al 复合材料降温热变形行为和热残余应力分布。

根据解析法计算的纱线轴/横向热膨胀性能和纱线空间分布结构，建立复合材料细观力学有限元模型，计算得到的宏观热应变-温度曲线与热变形实验曲线吻合较好。

复合材料制备后经纱和纬纱主要处于残余压应力状态，且纬纱表现出较高的残余应力水平；基体合金则主要处于残余拉应力状态，最大拉应力出现在经纱界面处并导致经纱与纬纱之间的区域出现局部界面脱粘，降低热残余应力是改善复合材料力学性能的重要技术手段。

关键词：2.5D 机织；C f /Al 复合材料；残余应力；细观力学；有限元分析doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000114中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)02-0073-10连续碳纤维增强铝基复合材料（C f /Al 复合材料）具有优良的综合性能，在航空航天、汽车工程、国防工业等领域具有广泛的应用前景[1-2]。

近年来出现的各种机织C f /Al 复合材料[3-4]不仅具有C f /Al 复合材料的优点，而且具有很好的结构和性能可设计性。

然而，在复合材料高温制备工艺过程中，由于碳纤维增强体和基体铝合金之间热膨胀系数失配，以及纱线机织结构复杂和温度梯度大等因素，会导致制备完成后复合材料内部存在显著的热残余应力。

机织复合材料是由纱线和基体及其二者之间的界面构成宏观结构，纱线本质上是单向纤维增强复合材料，其在细观尺度上由纤维、基体及其界面组成。

因此，机织复合材料热残余应力可分为微观尺度热残余应力和细观尺度热残余应力[5]。

微观尺度热残余应力主要是纤维与基体的热膨胀系数失配而引起的，这种纤维-基体热残余应力会导致纱线中基体开裂及界面脱粘，从而降低纱线力学性能并导致复合材料性能恶化[6]。

基于三维应变渐进损伤准则的复合材料层合板大开孔压缩损伤研究李泽江;郑锡涛【摘要】针对复合材料层合板大开孔压缩,将二维应变渐进损伤准则修正为三维应变渐进准则,使其能够模拟层合板的分层损伤,建立了复合材料层合板大开孔压缩损伤分析模型.利用UMAT子程序将基于三维应变渐进损伤准则引入到分析模型中预测纤维、基体及分层等失效演化过程;并对大开孔复合材料层合板进行试验研究.试验结果表明所建立的基于三维应变渐进损伤准则的层合板大开孔分析模型能很好地模拟大开口复合材料层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展及破坏模式;并最终预测复合材料层合板大开孔的破坏强度.%A new model for the damage analysis of composite laminate with large-open hole under compression was developed using 3D strain progressive damage theory of which is an improvement from 2D strain progressive damage theory.The analysis model was incorporated into ABAQUS FE analysis through user subroutine UMAT to model various composite laminate failure types,such as matrix cracking,fiber failure,delamination,and etc.It can simulate damage initiation,damage progression and failure load for the composite laminate with large open-hole under compression.A test on composite laminate with large-open hole has been done and its result of failure load agree well with that predicted using the damage analysis.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)017【总页数】6页(P66-71)【关键词】复合材料层合板;大开孔压缩;渐进损伤;UMAT;损伤分析【作者】李泽江;郑锡涛【作者单位】上海飞机设计研究院强度设计研究部,上海201210;西北工业大学航空学院,西安710072【正文语种】中文【中图分类】TB330.1;V257以碳纤维增强的先进复合材料因其高比模量、高比强度、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点成为了航空航天领域广泛应用的材料之一，与传统金属材料相比，其结构减重可以达到20%～30%[1]。

第28卷第5期2007年9月　宇　航　学　报Journ al of As tronauticsV ol.28September No.52007平面机织复合材料在剪切载荷下损伤刚度折减分析王新峰,周光明,王鑫伟,周储伟(南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016) 摘　要:采用三维实体有限元方法,结合周期性边界条件,分析了平面机织复合材料在剪切情况下损伤的起始、扩展、直至最终破坏的全过程。

分析中抛弃了以往损伤研究中采用的“单元消失”技术,对破坏的基体单元和纤维束单元均按方向进行刚度折减。

制作了纵横剪切试件并进行了相应的试验。

计算结果和试验结果吻合良好,证明研究方法的正确性。

关键词:复合材料;平面机织;损伤;刚度折减中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:100021328(2007)0521371205收稿日期6282;　修回日期22基金项目国家自然科学基金(5);江苏省自然科学基金(BK 6);博士生创新基金(B X 3)0　引言随着材料工业的发展和对材料要求的提高,一直作为最主要结构材料的金属已不能完全满足许多实际工程领域的要求,许多具有优异、特殊性能的新型材料不断涌现出来。

其中,纺织复合材料以其比刚度大、比强度高、重量轻、整体性能好等优点日益受到人们的关注,在航空、航天、汽车等众多领域有着巨大的应用前景。

机织织物作为纺织产品中最为广泛应用的一种,是由两组纱线沿各自固定的方向交织而成,与单向纤维增强复合材料相比,机织复合材料具有更好的稳定性[1]。

而且机织工艺稳定,自动化程度高,相比其它纺织复合材料,如编织、针织、细编穿刺等,具有更高的生产效率和较低的生产成本。

因此,机织复合材料从问世以来就倍受学者的关注,对其刚度、强度等力学性能进行了相应的研究。

在平面机织复合材料刚度方面研究的途径较多,如王春敏[2]采用镶嵌模型和卷曲模型,根据应变能原理研究机织复合材料弹性模量的上、下限;K ey [3]和P eng[4]分别针对不同的几何模型,使用三维有限元方法计算机织复合材料的模量。

三维编织预成型体的织造及三维编织复合材料细观结构研究进展韩振宇;梅海洋;付云忠;富宏亚【摘要】三维编织复合材料由于具有优异的力学性能而得到了广泛关注,这些性能的获得离不开其具有的特殊结构,本文从预成型体织造及复合材料细观结构两个方面进行综述.在织造技术方面,对当前编织方法及设备进行了介绍,并评述了近年来对编织新方法的探索以及对编织过程的研究.在细观结构方面,详述了细观结构研究由抽象到具体的发展历程,指出当前模型对于纤维束变形的表征的不足之处,并对两种先进的建模方法进行了介绍.最后指出今后的研究中可进一步建立三维编织结构的表征方法以探索新型编织结构,研究纤维束变形机理以获得更为真实的细观结构模型.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2018(046)011【总页数】12页(P25-36)【关键词】复合材料;三维编织;预成型体;细观结构【作者】韩振宇;梅海洋;付云忠;富宏亚【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TH33复合材料的应用使得航空航天结构轻质化的目标得以实现，其用量已经成为航空航天结构先进性的标志之一。

为克服传统复合材料层间性能差的缺点，人们发展了三维纺织复合材料。

相对于三维机织、三维针织等纺织技术，三维编织技术由于具有复杂构件一次成型、截面可连续变化、纱线取向可设计等优点而备受关注。

三维编织复合材料首先利用三维编织技术将增强纤维编织成三维整体织物(预成型体)，再和基体进行复合，从而制成复合材料制件。

三维编织预成型体可以增强树脂、碳、陶瓷、金属等多种基体，根据基体的不同其复合方法也不尽相同，例如复合树脂基体的RTM(树脂传递模塑工艺)及复合碳和陶瓷基体的CVI(化学气相渗透工艺)。

三维编织复合材料中增强纤维具有空间交织的整体结构，因此除了具有传统复合材料高比强、高比模的优点外，还具有更好的抗冲击特性、更高的损伤容限和能量吸收率。

二维编织包芯绳索的结构与拉伸性能赵倩娟;焦亚男【摘要】针对空间网状可展开天线对高强高模绳索的需求,研制了二维编织包芯结构绳索.采用岛津万能试验机对不同编织工艺参数的试样进行拉伸性能测试,分析包芯绳索不同于其他结构绳索的拉伸断裂机制和破坏模式.结果表明:二维编织包芯结构绳索,外观均匀,结构稳定,纤维强力利用率高,可以满足绳索高强高模,低延伸率和轻质的要求；编织工艺参数对包芯绳索的强力和断裂伸长率影响较大,编织角大的编织纱对芯纱包缠紧密,芯纱纤维比例大的绳索可以发挥包芯结构的优势；试样在拉伸过程中,芯纱是主要的承力部分,编织纱对芯纱起到束缚和保护作用.%Two-dimensional (2-D) braided structure cored rope was studied to satisfy requirement of large net-shaped deployable antenna to high-strength and high-modulus rope. Shimadzu universal testing machine was used to test the tensile strength of the samples with different braiding parameters, and the tensile fracture mechanism and failure mode there of were analyzed. The results showed that the Z-D braided rope had uniform appearance, stable structure and high fiber strength utilization rate, and can satisfy requirment of high strength, high modulus and low elongation; braiding parameters had great impact on the rope strength and reaking elongation braiding yarn with large braiding angle wrapped the core yar tightly; the greater proportion of core yarn fibers has, the more obvious advantages of the core structure was; and in the tensile test process, the core yarn was the main load-bearing part, and braiding yarns played a role of binding and protection to the core yarn.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】5页(P48-52)【关键词】二维编织;包芯绳索;Kevlar49;拉伸性能【作者】赵倩娟;焦亚男【作者单位】天津工业大学复合材料研究所,天津300160;天津工业大学天津市和教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津300160;天津工业大学复合材料研究所,天津300160;天津工业大学天津市和教育部先进纺织复合材料重点实验室,天津300160【正文语种】中文【中图分类】TB303随着科技的发展,空间可展开天线广泛应用于军事、航天和信息等领域，天线用绳索要求轻质、高强高模、延伸率低、热膨胀系数小、不可伸缩、保形性好的柔性材料制成[1]。

三维机织正交结构复合材料的参数化设计冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【摘要】为对三维机织正交结构复合材料的力学模拟分析提供一种模型,通过观察3层机织正交结构复合材料预制件的细观几何结构,分析其最小重复单元中纱线间的几何位置关系,探讨细观结构中几何参数与宏观设计参数的关系.在此基础上,利用Pro/Engineer软件对复合材料预制件进行参数化设计,建立三维机织正交结构预制件的通用几何模型.通过对比三维机织正交结构复合材料的实际结构与模型结构以及纤维体积分数,验证了该模型的合理性.【期刊名称】《纺织学报》【年(卷),期】2010(031)012【总页数】5页(P59-63)【关键词】正交结构;参数;模型;复合材料【作者】冯兆行;田伟;马雷雷;刘鹏;祝成炎【作者单位】浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018;浙江理工大学,先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,浙江,杭州,310018【正文语种】中文【中图分类】TB332三维机织复合材料是将纤维预制件作为增强体的复合材料。

它是靠接结经纱在织物的厚度方向将若干层重叠排列的经纬纱接合起来，使之成为整体性能良好的三维结构织物［1］。

随着复合材料的广泛应用，对三维机织复合材料的研究越来越重视。

然而，三维机织复合材料的制作是一个繁琐的过程，大大影响了其研发周期。

利用有限元对复合材料进行模拟实验，可科学地预测实验结果，指导复合材料的深入研究。

三维机织复合材料的细观结构直接影响其宏观性能，因此客观地刻画其细观几何结构成为有限元分析的关键［2］。

在有限元软件中直接建立合理准确地模型比较困难，首先要在CAD软件中建立细观的几何模型，然后将模型与有限元分析相互结合，从而达到优势互补、资源共享的目的［3］。