機織增強材料滲透率的分形研究.pdf

1、在機織增強復(fù)合材料的成型過程中，滲透率是描述充模過程中機織增強材料滲透性能的一個重要的參數(shù)，常用來表征樹脂流過機織增強材料的難易程度。同時，滲透率又是成型過程中模具設(shè)計和充模工藝參數(shù)制定的主要依據(jù)，也是復(fù)合成型計算機數(shù)值模擬所需的關(guān)鍵參數(shù)。因此，深入研究機織增強材料的滲透率，將對機織復(fù)合材料的成型效率以及成品質(zhì)量的控制起到十分重要的作用。 作為生產(chǎn)復(fù)合材料的增強體，采用機織工藝優(yōu)點很多：近年來設(shè)備的高速發(fā)展；織機對織造參數(shù)的精確

2、控制；對傳統(tǒng)二維織機進行改造就可生產(chǎn)多軸織物、多層織物及三維織物等等。更重要的是機織增強復(fù)合材料在經(jīng)緯方向上具有優(yōu)良的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。目前機織增強材料已經(jīng)由以往的單層織物，發(fā)展為2.5D和三維立體機織物，使厚度Z方向上的各項性能也得到增強。 在以往的機織增強材料滲透率的研究中，主要通過理想模型以及實驗測量的方法來求解。然而機織增強材料中孔隙的大小和分布通常是隨機的和雜亂無章的，運用理想模型來求解滲透率常常和實際情況會有很大

3、的差異；實驗測量操作比較復(fù)雜，而且客觀因素影響較大。同時，用理論解析的方法尋找機織增強材料的數(shù)學模型又是“多孔介質(zhì)輸運性質(zhì)”這一領(lǐng)域最具吸引力和挑戰(zhàn)性的課題。為此，本文展開以下幾個方面的工作： 本課題主要研究機織增強材料的滲透性能，并將分形理論應(yīng)用到復(fù)合材料滲透率的求解過程中，分別建立了平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的滲透率分形模型，然后根據(jù)修正后的平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的單元結(jié)構(gòu)模型進行求解，最后通過實驗對求解結(jié)果

4、進行了驗證。 1．機織增強材料單元結(jié)構(gòu)理論模型的修正 機織增強材料在織造和復(fù)合成型過程中，由于外力的作用，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化，以往的簡化模型已不能表征其真實結(jié)構(gòu)。本文利用圖像采集的方法分析了機織增強材料的孔隙結(jié)構(gòu)特征，并通過對機織增強材料截面結(jié)構(gòu)的實驗觀察和對其織造與成型過程的分析，修正了機織增強材料單元結(jié)構(gòu)的理想模型，建立了一個與機織復(fù)合材料充模過程相符的單元結(jié)構(gòu)理論模型。在修正的模型當中，機織增強材料經(jīng)緯截面中沒

5、有了以往模型中規(guī)則的大孔，同時纖維的分布具有一定的隨機性，而且形成的孔隙通道大小和形狀是不斷發(fā)生變化的。 2．機織增強材料分形特征驗證 修正后的模型中沒有了可以簡單計算的孔洞，孔隙的分布和大小是雜亂無章的，用傳統(tǒng)的分析方法已經(jīng)不能對其進行準確的表述，因此我們引入了一種新興的科學研究方法—分形幾何。首先闡述了分形理論的基本原理，進而推導了物體分形特征的判斷依據(jù)，然后對機織增強材料的截面圖像進行采集和處理，最后利用VC++6

6、.0語言根據(jù)計盒法原理編寫程序，驗證機織增強材料的孔隙結(jié)構(gòu)符合分形特征。這也證明了機織增強材料的孔隙結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用分形理論進行研究。利用分形幾何理論研究纖維增強材料結(jié)構(gòu)，為研究增強材料的滲透性能提供了一種比較好的研究思路和方法，使定量描述纖維增強材料的微觀、宏觀復(fù)雜性成為可能，為精確刻畫增強材料的機械物理特性，揭示和模擬纖維增強材料的充模規(guī)律提供了可靠的參數(shù)和理論支持。 3．機織增強材料分形維數(shù)的求解 分形維數(shù)度量了分形體

7、填充空間的能力，它從測度論和對稱理論方面刻畫了分形體的無序性，是描述分形對象的最基本特征參數(shù)。由于機織增強材料的單元結(jié)構(gòu)中不同位置的孔隙結(jié)構(gòu)有所不同，截面的孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)因位置的不同而不同，因此，本文分別求出不同代表平面的孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)，使得對機織增強材料分形特征的表征更為準確。本文根據(jù)修正后的平紋、斜紋、2.5D機織增強材料的模型推導出三種機織增強材料的分形維數(shù)求解通式，然后通過其結(jié)構(gòu)參數(shù)求出其孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)和彎曲分形維數(shù)。

8、 4．機織增強材料滲透率分形模型建立 根據(jù)毛細管的分形特征，并應(yīng)用Hagen—Poiseulle方程和達西定理建立了滲透率的分形分析模型，得到滲透率的分形表達式，表達式中滲透率參數(shù)是多孔介質(zhì)的分形維數(shù)和織物微結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，沒有了以往的經(jīng)驗常數(shù)。然后利用該模型分別求出平紋、斜紋以及2.5D機織增強材兩個代表平面滲透率的理論值，得到三種機織增強材料的滲透率預(yù)測范圍。 5．理論模型的實驗驗證 滲透率的測量驗證主要

9、采用RTM充模原理，其主要采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔，模腔中已鋪放好按一定方向和尺寸裁剪好的機織增強材料預(yù)成型體，模具周邊密封和緊固。根據(jù)達西定律，記錄壓力、樹脂粘度、以及樹脂流動前沿，從而測出機織增強材料的滲透率測量值，并與分形模型計算出的機織增強材料滲透率進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好。表明本文所建立的理論模型能夠反映機織增強材料真實的滲透性能。最后分析了滲透率預(yù)測值與實驗測量值之間差異的原因。 綜上所述，本文根