變截面三維編織復(fù)合材料的減紗工藝及彎曲性能研究.pdf

1、三維編織復(fù)合材料因其多向纖維束的空間互鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了復(fù)合材料的整體性和各個方向強(qiáng)度的均勻性,從而能有效避免傳統(tǒng)復(fù)合材料分層的現(xiàn)象,損傷容限與抗疲勞特性優(yōu)異,能夠有效保障結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強(qiáng),在航空航天、國防軍工、交通、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際應(yīng)用中,絕大多數(shù)復(fù)合材料并不是等截面結(jié)構(gòu)件,而是截面尺寸沿長度方向變化的變截面異形件。本論文針對四步法方型三維編織工藝只能制備等截面結(jié)構(gòu)件的局限性,在現(xiàn)有變截面編織工

2、藝的理論基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究減紗變截面工藝及變截面復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下研究減紗工藝原理,提出減紗單元的概念,總結(jié)減紗工藝的設(shè)計原則,并比較整列減紗工藝與逐單元減紗工藝在原理及工藝方面的異同。給出變截面三維編織棱錐套預(yù)制件這一減紗編織實例,驗證減紗工藝的可行性及優(yōu)越性。以整列減紗變截面預(yù)制件為研究對象,通過試驗觀察及理論建模研究減紗工藝對預(yù)制件減紗截面處細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響,可知減紗操作會減去一定數(shù)量的編織紗;減紗截面處

3、編織紗運(yùn)動距離增長,預(yù)制件表面及內(nèi)部編織角增大;減紗對于復(fù)合材料的纖維體積含量基本不產(chǎn)生影響。設(shè)計三種不同的減紗方案(一種整列減紗方案,兩種逐單元減紗方案),采用VARTM工藝制備減紗變截面復(fù)合材料;同時制備與減紗變截面復(fù)合材料外觀尺寸相同的切削變截面復(fù)合材料及相應(yīng)的等截面復(fù)合材料。對比不同試件的彎曲力學(xué)性能,得出如下結(jié)論:在纖維體積分?jǐn)?shù)基本相同的情況下,減紗變截面試件的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量顯著高于切削變截面試件,略低于等截面試件。減紗工

4、藝影響變截面復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能。利用逐單元減紗工藝制備的變截面復(fù)合材料彎曲性能明顯優(yōu)于通過整列減紗工藝制備的變截面復(fù)合材料;兩種不同逐單元減紗方案所制備的變截面復(fù)合材料彎曲性能差異不大。研究變截面復(fù)合材料在彎曲加載過程中的斷裂模式,分析各類試件的宏觀斷口形貌,借助掃描電子顯微鏡對試件的微觀斷口形貌進(jìn)行觀察,得到結(jié)論:減紗變截面復(fù)合材料的彎曲破壞主要發(fā)生在變截面區(qū)域,破壞模式表現(xiàn)為包括了纖維斷裂、基體開裂和纖維抽拔等模式的復(fù)合型破壞,