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復(fù)合材料用三維機(jī)織物成型性的研究進(jìn)展分析論文
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航天器、飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸從次承力結(jié)構(gòu)件發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)件，在眾多類型的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，三維機(jī)織物是一種常用的纖維增強(qiáng)形式。三維機(jī)織物中特殊的紗線交織結(jié)構(gòu)使得三維機(jī)織復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高，抗沖擊性好，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是，三維機(jī)織物用作復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)件外形幾何特征的不同，主要有2種纖維增強(qiáng)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(jié)構(gòu)。本文主要探討了板形織物在模具約束作用下的成型過程，成型過程中板形織物受到復(fù)雜的三維應(yīng)力，織物局部和整體都會發(fā)生變形，導(dǎo)致纖維形態(tài)、紗線排列、纖維體積含量、樹脂注射成型過程中的樹脂流動、分布等發(fā)生變化，這種變化會影響異型織物的成型穩(wěn)定性、貼覆性等，其增強(qiáng)復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)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程具有操作流程簡單、織物工藝設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是對于厚度大、紗線交錯(cuò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成型性差的三維織物來說，織物很難按照模具形狀成型，而且成型后織物表面會出現(xiàn)很多褶皺、紗線錯(cuò)位嚴(yán)重等現(xiàn)象，影響織物的力學(xué)性能。
作為復(fù)合材料增強(qiáng)體的重要評價(jià)指標(biāo)之一，織物成型性是指在一定作用力下織物無褶皺成型某種特定形狀的能力。相關(guān)研究報(bào)道表明，織物成型性主要與纖維伸長率和紗線之間的滑移能力有關(guān)。近年來，Legrand等對三維機(jī)織物在模具約束作用下成型過程中織物形態(tài)和紗線形態(tài)變化做了很多研究，并從宏觀和細(xì)觀2個(gè)角度分別分析織物結(jié)構(gòu)變化，但并沒有說明三維機(jī)織物異形成型過程中引起織物結(jié)構(gòu)變化的原因。三維機(jī)織物紗線交織結(jié)構(gòu)使得其成型性的評價(jià)更為復(fù)雜，一般地，在借鑒二維機(jī)織物成型性研究方法和研究成果的基礎(chǔ)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定性或定量地評價(jià)三維機(jī)織物的成型性。
本文基于三維機(jī)織物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)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(nèi)外的研究現(xiàn)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(jī)織物成型性方面尚存在的問題，以及需要進(jìn)一步開展研究工作的建議，為三維機(jī)織復(fù)合材料的異型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能研究、模擬仿真等提供理論參考。
1三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
作為復(fù)合材料用三維織物中的一個(gè)重要分支，三維機(jī)織物中紗線不但沿織物的經(jīng)緯向配置，而且有一部分紗線沿與織物的厚度方向呈一定角度的方向配置，從而增強(qiáng)了層間強(qiáng)度。根據(jù)紗線交織結(jié)構(gòu)的不同，三維機(jī)織物主要分為三向正交和三維角聯(lián)鎖織物2大類。此外，三維機(jī)織物具有靈活多尺度可設(shè)計(jì)性，可以通過改變纖維種類、紗線線密度、經(jīng)緯密等來滿足織物的不同力學(xué)性能。
三向正交結(jié)構(gòu)織物有3個(gè)紗線系統(tǒng)，經(jīng)紗和緯紗2組紗線基本伸直，面內(nèi)呈90度，法向接結(jié)經(jīng)紗貫穿織物厚度方向，以保持織物的穩(wěn)定性。三向正交結(jié)構(gòu)織物具有良好的整體性和穩(wěn)定性，其增強(qiáng)復(fù)合材料具有極高的面內(nèi)剛度和優(yōu)異的斷裂韌性。
三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物由2 -4個(gè)系統(tǒng)的紗線組成，即法向接結(jié)經(jīng)紗系統(tǒng)、緯紗系統(tǒng)、襯經(jīng)紗系統(tǒng)、襯緯紗系統(tǒng)，法向接結(jié)經(jīng)紗和緯紗是必不可少的，而襯紗系統(tǒng)可根據(jù)織物不同性能需要選擇性添加。特別地，當(dāng)作用力沿著襯紗方向時(shí)，襯紗在角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物中貢獻(xiàn)明顯較大。根據(jù)法向接結(jié)經(jīng)紗貫穿織物厚度的程度，角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)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。角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)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程中，要經(jīng)歷彎曲、剪切、拉伸等變形，其中剪切變形被認(rèn)為是影響織物成型性最主要的因素。織物受到剪切力作用時(shí)發(fā)生變形，繼而相鄰紗線間發(fā)生擠壓而鎖定，此時(shí)紗線間的夾角即為剪切鎖定角，當(dāng)機(jī)織物經(jīng)緯紗間的角度超出剪切鎖定角時(shí)織物將會發(fā)生褶皺。在整個(gè)織物剪切變形過程中，應(yīng)力與應(yīng)變呈相關(guān)性，開始變形階段隨著應(yīng)變的增大應(yīng)力微小變大，織物達(dá)到鎖定狀態(tài)后，應(yīng)力上升幅度增大。以平紋機(jī)織物為例。當(dāng)織物受到力時(shí)發(fā)生微小剪切變形，隨著力逐步施加在織物上，織物達(dá)到鎖定狀態(tài)，繼續(xù)加載織物則發(fā)生褶皺現(xiàn)象。
目前研究最多的是通過織物的剪切性能來評價(jià)機(jī)織物成型性剪切會引起紗線滑移，導(dǎo)致最終復(fù)合材料的力學(xué)性能降低。用機(jī)織物的剪切性能評價(jià)織物的成型性時(shí)，織物的剪切強(qiáng)度、剪切鎖定角是主要參數(shù)。大多數(shù)學(xué)者以機(jī)織物為代表，在Mack等提出的理想化鉸鏈連接模型的基礎(chǔ)上研究機(jī)織物的剪切性能。二維機(jī)織物的剪切性能與織物成型性的關(guān)系研究始于20世紀(jì)60年代，在文獻(xiàn)報(bào)道的研究中趨于完善。他們大多通過典型的像框剪切實(shí)驗(yàn)，其中像框裝置由2個(gè)用于捕捉正反面變形過程的數(shù)碼相機(jī)、剪切像框組成，載荷加載在剪切像框上使得像框上下移動，從而使織物發(fā)生剪切變形，通過攝像裝置采集織物剪切變形過程中的變形圖。基于理想化鉸鏈連接模型，得出織物的剪切性能與二維機(jī)織物成型性有相關(guān)關(guān)系。假設(shè)織物只發(fā)生純剪切變形，有文獻(xiàn)具體研究了二維機(jī)織物成型性的影響因素，并建立幾何模型預(yù)測織物中出現(xiàn)褶皺等疵點(diǎn)的幾率。目前，對三維機(jī)織物的剪切性能測試尚無統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，各文獻(xiàn)介紹的測試結(jié)果有較大的差距。大多數(shù)學(xué)者都采用像框剪切實(shí)驗(yàn)裝置研究三維機(jī)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(nèi)，主要有文獻(xiàn)報(bào)道了對維角聯(lián)鎖織物的剪切性能研究，其中，李?yuàn)檴櫪孟窨蚣羟袑?shí)驗(yàn)裝置對7種不同規(guī)格參數(shù)的角聯(lián)鎖織物和一種三向正交結(jié)構(gòu)的織物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)對三維機(jī)織物的剪切性能影響不大，紗線線密度、經(jīng)緯密、織物層數(shù)對三維機(jī)織物的剪切性能影響較大。張一帆等利用改進(jìn)的像框?qū)嶒?yàn)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，并分析了非線性褶皺變化機(jī)制。在國外，Chen等和Lomov等對三維機(jī)織物成型性與剪切性能關(guān)系的研究成果比較顯著。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(xiàn)這類織物具有較低的剪切強(qiáng)度，可很好地彎曲成型三維曲面，并采用剪切實(shí)驗(yàn)和織物變形實(shí)驗(yàn)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)，將織物無褶皺、無屈曲地鋪覆在頭盔模具上，并復(fù)合成型。Lomo等側(cè)重于建立三維機(jī)織物幾何模型研究織物的剪切性能，并表征三維機(jī)織物的成型性。在機(jī)織物的單胞幾何模型內(nèi)進(jìn)行紗線受力分析，當(dāng)織物受到剪切力作用時(shí)，相互交織的經(jīng)緯紗各自沿著不同的方向以交織點(diǎn)為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而有紗線錯(cuò)位滑移現(xiàn)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，紗線橫截面發(fā)生相應(yīng)的尺寸變化。隨后Charmetant等建立了超彈性本構(gòu)模型分析了具有一定厚度的2. 5維角聯(lián)鎖織物在樹脂傳遞模塑(RTM)工藝成型過程中的變形行為，加深了對三維機(jī)織物成型三維曲面的力學(xué)理解。
機(jī)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(jī)織物受力的復(fù)雜性，它并不能完全決定織物的成型性。事實(shí)上，當(dāng)三維機(jī)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(yàn)只能定性地檢測三維機(jī)織物的成型性程度和強(qiáng)度，所以用剪切性能評價(jià)成型性是不足的，與三維機(jī)織物實(shí)際變形情況有一定差距。
3結(jié)束語
目前，板形三維機(jī)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(yīng)用中，并有著廣泛的發(fā)展前景，但是隨著三維機(jī)織復(fù)合材料的不斷發(fā)展，對異型復(fù)合材料的質(zhì)量及力學(xué)性能也提出了新的挑戰(zhàn)，仍有許多問題有待于進(jìn)一步的解決，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)對三維機(jī)織物成型性的研究大多從成型機(jī)理、成型實(shí)驗(yàn)以及成型模擬這3個(gè)角度著手，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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究織物結(jié)構(gòu)對其成型性的影響，尤其是針對廣泛使用的三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的研究還很少。
3)研究三維機(jī)織物成型目標(biāo)幾何體后，需進(jìn)一步研究呈交織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的紗線幾何位移變化規(guī)律，建立相應(yīng)的幾何模型。
4)異型三維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能并沒有得到實(shí)驗(yàn)性結(jié)論，其力學(xué)性能也未得到實(shí)際肯定，成為實(shí)際應(yīng)用中的困擾。
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