復合材料用三維機織物成型性的研究進(jìn)展分析論文

　　纖維增強復合材料在航天器、飛機、汽車(chē)等領(lǐng)域的應用逐漸從次承力結構件發(fā)展到主承力結構件，在眾多類(lèi)型的纖維增強結構中，三維機織物是一種常用的纖維增強形式。三維機織物中特殊的紗線(xiàn)交織結構使得三維機織復合材料具有比強度、比模量高，抗沖擊性好，可設計性強等優(yōu)點(diǎn)。特別是，三維機織物用作復合材料增強結構時(shí)，根據結構件外形幾何特征的不同，主要有2種纖維增強體的成型方法:一種是采用立體仿形織造技術(shù)的直接異形整體成型;另一種是由板形織物在模具作用下變形成所需要的外形結構。本文主要探討了板形織物在模具約束作用下的成型過(guò)程，成型過(guò)程中板形織物受到復雜的三維應力，織物局部和整體都會(huì )發(fā)生變形，導致纖維形態(tài)、紗線(xiàn)排列、纖維體積含量、樹(shù)脂注射成型過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)、分布等發(fā)生變化，這種變化會(huì )影響異型織物的成型穩定性、貼覆性等，其增強復合材料的細觀(guān)結構均勻性和性能難以得到保證。板形織物在模具約束下的成型過(guò)程具有操作流程簡(jiǎn)單、織物工藝設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是對于厚度大、紗線(xiàn)交錯結構復雜、成型性差的三維織物來(lái)說(shuō)，織物很難按照模具形狀成型，而且成型后織物表面會(huì )出現很多褶皺、紗線(xiàn)錯位嚴重等現象，影響織物的力學(xué)性能。

　　作為復合材料增強體的重要評價(jià)指標之一，織物成型性是指在一定作用力下織物無(wú)褶皺成型某種特定形狀的能力。相關(guān)研究報道表明，織物成型性主要與纖維伸長(cháng)率和紗線(xiàn)之間的滑移能力有關(guān)。近年來(lái)，Legrand等對三維機織物在模具約束作用下成型過(guò)程中織物形態(tài)和紗線(xiàn)形態(tài)變化做了很多研究，并從宏觀(guān)和細觀(guān)2個(gè)角度分別分析織物結構變化，但并沒(méi)有說(shuō)明三維機織物異形成型過(guò)程中引起織物結構變化的原因。三維機織物紗線(xiàn)交織結構使得其成型性的評價(jià)更為復雜，一般地，在借鑒二維機織物成型性研究方法和研究成果的基礎上，采用力學(xué)法和幾何法分析織物的剪切性能、懸垂性、半球成型性及彎曲成型性來(lái)定性或定量地評價(jià)三維機織物的成型性。

　　本文基于三維機織物的細觀(guān)結構特性，從織物的剪切性能、懸垂性、半球成型性、彎曲成型性4種評價(jià)成型性方法的原理和適用范圍出發(fā)，分析了國內外的研究現狀和進(jìn)展，在尋求研究方法借鑒的同時(shí)，提出表征三維機織物成型性方面尚存在的問(wèn)題，以及需要進(jìn)一步開(kāi)展研究工作的建議，為三維機織復合材料的異型結構設計、性能研究、模擬仿真等提供理論參考。

　　1三維機織物結構特點(diǎn)

　　作為復合材料用三維織物中的一個(gè)重要分支，三維機織物中紗線(xiàn)不但沿織物的經(jīng)緯向配置，而且有一部分紗線(xiàn)沿與織物的厚度方向呈一定角度的方向配置，從而增強了層間強度。根據紗線(xiàn)交織結構的不同，三維機織物主要分為三向正交和三維角聯(lián)鎖織物2大類(lèi)。此外，三維機織物具有靈活多尺度可設計性，可以通過(guò)改變纖維種類(lèi)、紗線(xiàn)線(xiàn)密度、經(jīng)緯密等來(lái)滿(mǎn)足織物的不同力學(xué)性能。

　　三向正交結構織物有3個(gè)紗線(xiàn)系統，經(jīng)紗和緯紗2組紗線(xiàn)基本伸直，面內呈90度，法向接結經(jīng)紗貫穿織物厚度方向，以保持織物的穩定性。三向正交結構織物具有良好的整體性和穩定性，其增強復合材料具有極高的面內剛度和優(yōu)異的斷裂韌性。

　　三維角聯(lián)鎖結構織物由2 -4個(gè)系統的紗線(xiàn)組成，即法向接結經(jīng)紗系統、緯紗系統、襯經(jīng)紗系統、襯緯紗系統，法向接結經(jīng)紗和緯紗是必不可少的，而襯紗系統可根據織物不同性能需要選擇性添加。特別地，當作用力沿著(zhù)襯紗方向時(shí)，襯紗在角聯(lián)鎖結構織物中貢獻明顯較大。根據法向接結經(jīng)紗貫穿織物厚度的程度，角聯(lián)鎖結構織物可分為層層貫穿角聯(lián)鎖和通厚度貫穿角聯(lián)鎖二大類(lèi)。角聯(lián)鎖結構織物具有良好的伸縮性，層間斷裂韌性高，能量吸收性好等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是它與三向正交織物相比具有更好的柔韌性和成型能力，可以更好地彎曲成型為三維曲面。

　　2.剪切性能

　　板形織物在模具約束作用下的成型過(guò)程中，要經(jīng)歷彎曲、剪切、拉伸等變形，其中剪切變形被認為是影響織物成型性最主要的因素�？椢锸艿郊羟辛ψ饔脮r(shí)發(fā)生變形，繼而相鄰紗線(xiàn)間發(fā)生擠壓而鎖定，此時(shí)紗線(xiàn)間的夾角即為剪切鎖定角，當機織物經(jīng)緯紗間的角度超出剪切鎖定角時(shí)織物將會(huì )發(fā)生褶皺。在整個(gè)織物剪切變形過(guò)程中，應力與應變呈相關(guān)性，開(kāi)始變形階段隨著(zhù)應變的增大應力微小變大，織物達到鎖定狀態(tài)后，應力上升幅度增大。以平紋機織物為例。當織物受到力時(shí)發(fā)生微小剪切變形，隨著(zhù)力逐步施加在織物上，織物達到鎖定狀態(tài)，繼續加載織物則發(fā)生褶皺現象。

　　目前研究最多的是通過(guò)織物的剪切性能來(lái)評價(jià)機織物成型性剪切會(huì )引起紗線(xiàn)滑移，導致最終復合材料的力學(xué)性能降低。用機織物的剪切性能評價(jià)織物的成型性時(shí)，織物的剪切強度、剪切鎖定角是主要參數。大多數學(xué)者以機織物為代表，在Mack等提出的理想化鉸鏈連接模型的基礎上研究機織物的剪切性能。二維機織物的剪切性能與織物成型性的關(guān)系研究始于20世紀60年代，在文獻報道的研究中趨于完善。他們大多通過(guò)典型的像框剪切實(shí)驗，其中像框裝置由2個(gè)用于捕捉正反面變形過(guò)程的數碼相機、剪切像框組成，載荷加載在剪切像框上使得像框上下移動(dòng)，從而使織物發(fā)生剪切變形，通過(guò)攝像裝置采集織物剪切變形過(guò)程中的變形圖�；�于理想化鉸鏈連接模型，得出織物的剪切性能與二維機織物成型性有相關(guān)關(guān)系。假設織物只發(fā)生純剪切變形，有文獻具體研究了二維機織物成型性的影響因素，并建立幾何模型預測織物中出現褶皺等疵點(diǎn)的幾率。目前，對三維機織物的剪切性能測試尚無(wú)統一的實(shí)驗標準，各文獻介紹的測試結果有較大的差距。大多數學(xué)者都采用像框剪切實(shí)驗裝置研究三維機織物的剪切性能，并用剪切剛度、剪切鎖定角等評價(jià)織物剪切性能。在國內，主要有文獻報道了對維角聯(lián)鎖織物的剪切性能研究，其中，李姍姍利用像框剪切實(shí)驗裝置對7種不同規格參數的角聯(lián)鎖織物和一種三向正交結構的織物進(jìn)行了實(shí)驗研究，結果表明結構對三維機織物的剪切性能影響不大，紗線(xiàn)線(xiàn)密度、經(jīng)緯密、織物層數對三維機織物的剪切性能影響較大。張一帆等利用改進(jìn)的像框實(shí)驗裝置比較分析不同經(jīng)緯密的維角聯(lián)鎖織物的剪切鎖定角變化，得出織物經(jīng)緯密越小織物越容易成型，并分析了非線(xiàn)性褶皺變化機制。在國外，Chen等和Lomov等對三維機織物成型性與剪切性能關(guān)系的研究成果比較顯著(zhù)。其中Chen等集中于研究2. 5維角聯(lián)鎖織物的成型性，發(fā)現這類(lèi)織物具有較低的剪切強度，可很好地彎曲成型三維曲面，并采用剪切實(shí)驗和織物變形實(shí)驗2種方法研究維角聯(lián)鎖織物的成型性，提出了影響織物成型性的主要影響因素。研究人員利用維角聯(lián)鎖織物具有較小剪切剛度，成型性好的特點(diǎn)，將織物無(wú)褶皺、無(wú)屈曲地鋪覆在頭盔模具上，并復合成型。Lomo等側重于建立三維機織物幾何模型研究織物的剪切性能，并表征三維機織物的成型性。在機織物的單胞幾何模型內進(jìn)行紗線(xiàn)受力分析，當織物受到剪切力作用時(shí)，相互交織的經(jīng)緯紗各自沿著(zhù)不同的方向以交織點(diǎn)為中心發(fā)生轉動(dòng)，從而有紗線(xiàn)錯位滑移現象發(fā)生，同時(shí)相鄰經(jīng)緯紗在垂直織物表面方向相互擠壓，紗線(xiàn)橫截面發(fā)生相應的尺寸變化。隨后Charmetant等建立了超彈性本構模型分析了具有一定厚度的2. 5維角聯(lián)鎖織物在樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝成型過(guò)程中的變形行為，加深了對三維機織物成型三維曲面的力學(xué)理解。

　　機織物的剪切性能是產(chǎn)生褶皺的一個(gè)主要因素，由于三維機織物受力的復雜性，它并不能完全決定織物的成型性。事實(shí)上，當三維機織物發(fā)生變形時(shí)，不僅僅只發(fā)生剪切變形，織物受到的拉力和織物表面彎曲行為都是織物產(chǎn)生褶皺的影響因子。像框剪切實(shí)驗只能定性地檢測三維機織物的成型性程度和強度，所以用剪切性能評價(jià)成型性是不足的，與三維機織物實(shí)際變形情況有一定差距。

　　3結束語(yǔ)

　　目前，板形三維機織物在模具約束作用下彎曲成型己成功用于飛行員頭盔殼體、罩體等生產(chǎn)實(shí)際應用中，并有著(zhù)廣泛的發(fā)展前景，但是隨著(zhù)三維機織復合材料的不斷發(fā)展，對異型復合材料的質(zhì)量及力學(xué)性能也提出了新的挑戰，仍有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步的解決，主要體現在以下幾個(gè)方面:

　　1)對三維機織物成型性的研究大多從成型機理、成型實(shí)驗以及成型模擬這3個(gè)角度著(zhù)手，所使用的方法是力學(xué)法和幾何分析法，都有一定局限性的。

　　2)對織物結構進(jìn)行優(yōu)化設計，并研究織物結構對其成型性的影響，尤其是針對廣泛使用的三維機織結構的研究還很少。

　　3)研究三維機織物成型目標幾何體后，需進(jìn)一步研究呈交織結構狀態(tài)的紗線(xiàn)幾何位移變化規律，建立相應的幾何模型。

　　4)異型三維機織復合材料的力學(xué)性能并沒(méi)有得到實(shí)驗性結論，其力學(xué)性能也未得到實(shí)際肯定，成為實(shí)際應用中的困擾。

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