柔性导向三维织造复合材料预制体建模及实验验证.docxVIP

柔性导向三维织造复合材料预制体建模及实验验证摘 要：针对碳纤维增强复合材料三维织物的表征问题，采用柔性导向三维织造技术(3D Composite Flexible Weaving，简称3D-CFW)织造出三向正交结构复合材料预制体，根据织造工艺重复性与对称性的特点，对三维织物的细观几何结构进行分析，提出碳纤维铺放空间这一概念，建立了柔性导向三维正交结构预制体单元模型，并推导出织物单元体各向纤维体积含量的预测公式。选用日本东丽生产的T300（3K/6K）碳纤维进行三维织物预成型体织造实验，测试了X/Y/Z三向纤维在预制体中的体积含量，并与所建立的单元模型纤维体积含量理论计算结果对比，平均偏差在3.4%以内，表明实验值与计算结果具有较好的一致性，证明所建立的单元模型具有合理性。最后分析了预制体纤维体积含量理论值与实验值产生偏差的原因，得出预制体中纤维束并非处于伸直状态等结论。关键词：碳纤维增强；复合材料；柔性导向织造；三维正交结构；单元模型；纤维体积含量中图分类号： TB332 文献标志码：A Modeling and experimental verification of 3D flexible woven composites preformAbstract: Targenting at the problem of characterization of carbon fiber reinforced composites,the 3D orthogonal structure preform was woven by using the 3D flexible weaving techonlogy. According to the characteristics of weaving process, a 3D orthogonal structural model and prediction formulas of the volume fraction of the model were established. Then, several groups of carbon fiber fabric were manufactured to test the fiber volume fraction and the calculated values by the prediction formula are in good agreement with the test ones, the average deviation is 3.4%. At last, the reasons which caused the difference between the theoretical values and experimental valus were analyzed.Keywords: carbon fiber reinforced ; composites ; Flexible Weaving ; 3D orthogonal structure; unit model; fiber volume fraction 复合材料由于质轻、高强的特点被广泛应用于大型航空航天器、高速车辆、兵器工业等领域，近年来其功能逐渐从次承力结构向主承力结构转变，对传统二维层合板结构复合材料性能提出了新的挑战[1]。三维织造复合材料的出现在很大程度上提高了复合材料的性能，克服了二维复合材料抗冲击性能差、层间强度低、容易分层等缺点[2]，三维织物增强复合材料以其结构的多样性、可设计性、良好的成型性而成为复合材料研究新热点。三维织物经向和纬向纱线在织造平面内交织，提供材料面内性能；厚度方向上的纱线固定经纬两向纤维，提高结构的稳定性[3-4]。在三维织造复合材料中，三维正交织物具有结构简单、生产方便、成本较低等特点，受到广泛的关注。三维正交结构织物中经纱和纬纱呈伸直平行排列，并且经纬纱线相互垂直，具有很强的面内刚度；贯穿于厚度方向的Z向纱线与经纬纱线成90°相交，在织物表层捆绑经纬纱线，既提高了厚度方向的断裂韧性，又保证了织物结构的整体性与稳定性。国内外复合材料领域相关科研人员对三维正交结构预制体进行了大量研究。Peirce[8]提出纱线截面圆形的假设，并认定纱线完全是柔性的，不具备抗弯刚度；Byun[9]提出纤维束截面凸透镜截面假设，表示了纱线在织物中被压缩这一现象；郭兴峰[10]等做出经纱和纬纱为直线排布，Z向纱线为直线和正弦曲线组合排布的假设，建立了三维正交结构织物的几何模型；杨彩云[11]分别计算了纤维束截面为圆形、矩形、跑道形、凸透镜形四种情况下复合材料的弹性模量，得出圆形截面假设与实验数据差异较大的结论；机械科学研究