三維編織復(fù)合材料制造技術(shù)及力學(xué)性能的發(fā)展方

三維編織復(fù)合材料是仿織復(fù)合材料之一，是由采用編織技術(shù)織造的纖維編織物（又稱(chēng)三維預(yù)成形件）所增強(qiáng)的復(fù)合材料，其具有高的比強(qiáng)度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開(kāi)裂和疲勞等優(yōu)異特點(diǎn)。三維編織復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，倍受工程界關(guān)注，業(yè)已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，并在汽車(chē)、船舶、建筑領(lǐng)域、體育用品和醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應(yīng)用。

三維編織復(fù)合材料的發(fā)展是因?yàn)閱蜗蚧蚨蛟鰪?qiáng)材料所制得的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術(shù)引入工程應(yīng)用中。所謂3D編織技術(shù)是通過(guò)長(zhǎng)短纖維在空間按一定的規(guī)律排列，相互交織而獲得的三維無(wú)縫合的完整結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料不再存在層間問(wèn)題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點(diǎn)是能制造出各種規(guī)則形狀及異形實(shí)心體，并可使結(jié)構(gòu)件具有多功能性，即編織多層整體構(gòu)件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonal braiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。 123,123

樹(shù)脂傳遞模塑法發(fā)展史

三維編織復(fù)合材料成型工藝主要有樹(shù)脂傳遞模塑法[2]（RTM，Resin Transfer Molding），它是將液態(tài)樹(shù)脂注入閉合模具中浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法，是近年來(lái)發(fā)展迅速地適宜多品種、中批量、高質(zhì)量先進(jìn)復(fù)合材料制品生產(chǎn)地成型工藝，它是一種接近最終形狀部件的生產(chǎn)方法，基本無(wú)需后續(xù)加工。

RTM技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代的“MARCO”方法，最初是為成型飛機(jī)雷達(dá)罩發(fā)展起來(lái)的。RTM雖然成本較低，但其技術(shù)要求較高，特別是對(duì)原材料及模具的要求較高，大規(guī)模推廣有一定的困難，因而發(fā)展緩慢。到了20世紀(jì)80年代，由于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求的各項(xiàng)法規(guī)日趨嚴(yán)格；同時(shí)，隨著原材料、工藝的發(fā)展和成型技術(shù)的不斷進(jìn)步，加上RTM工藝自身諸多的優(yōu)點(diǎn)，例如，模制件公差小、有很高的表面質(zhì)量、比SMC（Sheet Molding Compound），片狀模塑料模塑壓力小、生產(chǎn)加工組織方式多種多樣、投資少、生產(chǎn)效率較高等特點(diǎn)而受到各國(guó)的重視。80年代末，隨著世界政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化，RTM被認(rèn)為是解決先進(jìn)復(fù)合材料高成本問(wèn)題的重要技術(shù)之一。日本將RTM 和拉擠兩項(xiàng)工藝推薦為最有發(fā)展前途的工藝。美國(guó)NASA將RTM技術(shù)列入其先進(jìn)復(fù)合材料計(jì)劃（ACT計(jì)劃），并組織開(kāi)展了大量的研究工作，同時(shí)民用復(fù)合材料界在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和環(huán)保新要求的壓力下出現(xiàn)了RTM研究和應(yīng)用的熱潮。

1985年前后，以縮短成型周期、提高表面質(zhì)量平順性和提高質(zhì)量穩(wěn)定性為目標(biāo)的第二代RTM 開(kāi)始得到應(yīng)用。以更高效率為特點(diǎn)的第三代RTM成型工藝在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始得到應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)RTM 工藝起步于20世紀(jì)80年代末期，受當(dāng)時(shí)國(guó)際RTM技術(shù)高速發(fā)展的影響，RTM注射設(shè)備和工藝方法一度形成“熱點(diǎn)”。但是由于受當(dāng)時(shí)原材料配套系統(tǒng)不完善和基礎(chǔ)工藝?yán)碚撗芯壳啡钡挠绊?，未能形成?guī)?；a(chǎn)，大部分設(shè)備都處于閑置狀態(tài)。20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)一些單位（如天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所）積極研究和推廣RTM工藝技術(shù)，從原材料、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造、表面技術(shù)和基礎(chǔ)理論以及工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)等方面，開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著三維編織技術(shù)的快速發(fā)展，RTM工藝技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件和其他軍用設(shè)施和產(chǎn)品上得到了較多應(yīng)用，隨著Light-RTM和SCRIMOP在游艇和風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用，該類(lèi)型工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地得到了大家的認(rèn)可。 123,123

RTM工藝一個(gè)重要的發(fā)展方向是大型部件的整體成型。其工藝方法以VARTM、Light-RTM、SCRIMP工藝為代表。RTM工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用涉及多種學(xué)科和技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際復(fù)合材料最活躍的研究領(lǐng)域之一。其主要研究方向包括：低粘度、高性能樹(shù)脂體系的制備及其化學(xué)動(dòng)力學(xué)和流變特性；纖維預(yù)成形體的制備及滲透特性；成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)；成型過(guò)程的在線監(jiān)控技術(shù)；模具優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；新型工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)；成本分析技術(shù)等。

RTM工藝特點(diǎn)

RTM以其優(yōu)異的工藝性能，廣泛地應(yīng)用于艦船、軍事設(shè)施、國(guó)防工程、交通運(yùn)輸、航空航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域[3]。其主要特點(diǎn)如下：

（1）模具制造和材料選擇靈活性強(qiáng)，根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)備的變化也很靈活，制品產(chǎn)量在1000~20000件/年之間。

（2）能夠制造具有良好表面質(zhì)量、高尺寸精度的復(fù)雜部件，在大型部件的制造方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。

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（3）易實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)、夾芯結(jié)構(gòu)；靈活地調(diào)整增強(qiáng)材料的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足從民用到航空航天工業(yè)不同性能的要求。

（4）纖維含量最高可達(dá)60%。

（5）RTM成型工藝屬于一種閉模操作工藝，工作環(huán)境清潔，成型過(guò)程苯乙烯排放量小。

（6）RTM成型工藝對(duì)原材料體系要求嚴(yán)格，要求增強(qiáng)材料具有良好的耐樹(shù)脂流動(dòng)沖刷性和浸潤(rùn)性，要求樹(shù)脂黏度低，高反應(yīng)活性，中溫固化，固化放熱峰值低，浸漬過(guò)程中黏度較小，注射完畢后能很快凝膠。

（7）低壓注射，一般注射壓力<30psi（1psi=68.95Pa），可采用玻璃鋼模具（包括環(huán)氧模具、玻璃鋼表面電鑄鎳模具等），模具設(shè)計(jì)自由度高，模具成本低。

（8）制品孔隙率較低。與預(yù)浸料模壓工藝相比，RTM工藝無(wú)須制備、運(yùn)輸、貯藏冷凍的預(yù)浸料，無(wú)須繁雜的手工鋪層和真空袋壓過(guò)程，也無(wú)須熱處理時(shí)間，操作簡(jiǎn)單。 copyright 123456

但是RTM 工藝由于在成型階段樹(shù)脂和纖維通過(guò)浸漬過(guò)程實(shí)現(xiàn)賦形，纖維在模腔中的流動(dòng)、纖維浸漬過(guò)程中以及樹(shù)脂的固化過(guò)程都對(duì)最終產(chǎn)品的性能有很大的影響，因而導(dǎo)致了工藝的復(fù)雜性和不可控性增大。
RTM成型工藝過(guò)程

RTM成型工藝是先在模腔內(nèi)預(yù)先鋪放增強(qiáng)材料預(yù)成形體，芯材和預(yù)埋件，然后在壓力或真空作用力下將樹(shù)脂注入閉合模腔，浸潤(rùn)纖維，固化后脫模，再進(jìn)行二次加工等后處理工序，其基本原理如圖1所示。



纖維預(yù)成形有手工鋪放、手工纖維鋪層加模具熱壓預(yù)成形、機(jī)械手噴射短切纖維加熱壓預(yù)成形、三維立體編織等多種形式。

在合模和鎖緊模具的過(guò)程中，根據(jù)不同的生產(chǎn)形式，有的鎖模機(jī)構(gòu)安裝在模具上，有的采用外置的合模鎖緊設(shè)備，也可以在鎖緊模具的同時(shí)利用真空輔助來(lái)提供鎖緊力，模具抽真空的同時(shí)可以降低樹(shù)脂充模產(chǎn)生的內(nèi)壓對(duì)模具變形的影響。

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在樹(shù)脂注入階段，要求樹(shù)脂的粘度盡量不要發(fā)生變化，以保證樹(shù)脂在模腔內(nèi)的均勻流動(dòng)和充分浸漬。在充模過(guò)程結(jié)束后，要求模具內(nèi)各部分的樹(shù)脂均同步固化，以降低由于固化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品變形的影響。

不同類(lèi)型的RTM生產(chǎn)布局

隨著原材料技術(shù)、模具技術(shù)和設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，RTM的生產(chǎn)布局也出現(xiàn)了多種多樣的形式。按照生產(chǎn)效率劃分，可以將RTM工藝的發(fā)展劃分為3代。

第1代RTM工藝通常為常溫固化和外部加熱，生產(chǎn)周期為80~150min，生產(chǎn)布局常采用環(huán)形生產(chǎn)線，模具在不同的工位流動(dòng)，模具數(shù)量多，生產(chǎn)周期取決于時(shí)間最長(zhǎng)的工序，通常為固化工序。

第2代RTM工藝的特點(diǎn)是模具自帶加熱系統(tǒng)，同時(shí)采用了專(zhuān)門(mén)的開(kāi)合模鎖緊機(jī)構(gòu)，生產(chǎn)效率可以達(dá)到20~30min。有代表性的是雙工位RTM工藝布局，一個(gè)工位在噴射膠衣、鋪放纖維時(shí)，另一個(gè)工位可以進(jìn)行注射、固化過(guò)程。

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第3代RTM工藝采用的是120℃左右的固化溫度，模具由專(zhuān)用的壓機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)模、合模、鎖緊，設(shè)備采用高速注射設(shè)備，模具使用金屬模具，整體布局和SMC工藝類(lèi)似，成型周期小于10min。
RTM工藝參數(shù)對(duì)工藝過(guò)程的影響

影響RTM工藝的工藝參數(shù)包括樹(shù)脂黏度、注射壓力、成型溫度、真空度等，同時(shí)這些參數(shù)在成型過(guò)程中是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。

（1）樹(shù)脂黏度。適用于RTM工藝的樹(shù)脂應(yīng)該具有較低的黏度，通常應(yīng)小于600mPa·s，小于300mPa·s時(shí)工藝性能會(huì)表現(xiàn)得更好。通過(guò)提高樹(shù)脂的成型溫度來(lái)降低樹(shù)脂黏度，以利于更好地實(shí)現(xiàn)充模過(guò)程。

（2）注射壓力。注射壓力的選擇取決于纖維的結(jié)構(gòu)形式和纖維含量以及所需要的成型周期。研究資料表明，較低的注射壓力有利于纖維的充分浸漬，有利于力學(xué)性能的提高。通過(guò)改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、纖維鋪層設(shè)計(jì)、降低樹(shù)脂濃度、優(yōu)化注射口和排氣口的位置、使用真空輔助等手段，都可以實(shí)現(xiàn)降低注射壓力。

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（3）成型溫度。成型溫度的選擇受模具自身能夠提供的加熱方式、樹(shù)脂固化特性及所使用的固化體系的影響。較高的成型溫度能夠降低樹(shù)脂的黏度，促進(jìn)樹(shù)脂在纖維束內(nèi)部的流動(dòng)和浸漬，增強(qiáng)樹(shù)脂和纖維的界面結(jié)合能力。

（4）真空度。在成型過(guò)程中使用真空輔助可以有效降低模具的剛度需求，同時(shí)促進(jìn)注射過(guò)程中空氣的排除，減少產(chǎn)品的孔隙含量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，在真空條件下成型的平板平均孔隙含量只有0.15%，而沒(méi)有真空的平板孔隙含量達(dá)到1%。

RTM設(shè)備和模具

RTM樹(shù)脂注射設(shè)備包括加熱恒溫系統(tǒng)、混合攪拌器、計(jì)量泵以及各種自動(dòng)化儀表。注射機(jī)按混合方式可分為單組分式、雙組分加壓式、雙組分泵式和加催化劑泵式4種?，F(xiàn)在用于批量生產(chǎn)的注射機(jī)主要是加催化劑泵式。

瑞典Aplicator公司制造的RI-2設(shè)備，使RTM工藝朝高質(zhì)量、高速度的全系統(tǒng)生產(chǎn)方面邁了一大步。美國(guó)液控系統(tǒng)公司（Liquid Control Systems）制造的Multiflow RTM設(shè)備，可對(duì)從幾克到數(shù)百千克的反應(yīng)樹(shù)脂體系進(jìn)行計(jì)量，混合并注射進(jìn)低壓力閉合模。 123,123

Multiflow CMFH型設(shè)備用于制造大型增強(qiáng)材料部件，輸入量為45kg/min?？墒褂糜诙喾N樹(shù)脂體系。
英國(guó)Plastech TT公司生產(chǎn)的注射機(jī)考慮了多種生產(chǎn)參數(shù)的集中控制問(wèn)題，其中Megaject Pro型注射機(jī)是自動(dòng)化程度最高的一種。

RTM是在低壓下成型，模具剛度相對(duì)要求低，可以使用多種材料來(lái)制造模具。常用的模具類(lèi)型有玻璃鋼模具、電鑄鎳模具、鋁模具、鑄鐵模具和鋼模具。

一般而言，RTM工藝對(duì)模具有如下要求：（1）保持制品的形狀、尺寸精度及上下模具的配合精度，使制品達(dá)到設(shè)計(jì)的表面精度；（2）具有可靠地夾緊和頂開(kāi)上下模具的裝置及制品脫模裝置；（3）足夠的剛度和強(qiáng)度，保證在合模、開(kāi)模和注射時(shí)不出現(xiàn)破壞和盡可能小的變形；（4）可被加熱，并保證在一定的樹(shù)脂成型固化溫度下的使用壽命，在使用過(guò)程中不發(fā)生開(kāi)裂和變形；（5）具有合理的注射口、冒口、流通，保證樹(shù)脂充滿模腔，并排除制品中的氣體；（6）具有合適的模腔厚度，使模具對(duì)預(yù)成形體有合適的壓縮量；（7）上下模具的密封性要好，對(duì)無(wú)真空輔助的工藝，樹(shù)脂的漏損率應(yīng)小于1%，對(duì)有真空輔助的工藝，密封應(yīng)保證不漏氣，以免氣體進(jìn)入模腔；（8）以合適的材料和制造成本，滿足成型制品數(shù)量和模具壽命的要求。

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RTM的衍生技術(shù)

RTM技術(shù)的發(fā)展很快，目前在上述成型的基本過(guò)程基礎(chǔ)上，還衍生出一些特殊的RTM技術(shù)，這些技術(shù)主要有真空輔助RTM（VARTM）、壓縮RTM（CRTM）、Seemann’s復(fù)合材料樹(shù)脂滲透模塑成型（SCRIMP）、樹(shù)脂膜滲透成型（RFI）、熱膨脹RTM（TERTM）、柔性RTM（FRTM）和共注射RTM（CIRTM）等。



三維編織復(fù)合材料內(nèi)部紗線在平面和三維空間中交織在一起，形成一個(gè)不分層的、復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)[4]。因此在編織復(fù)合材料研究之初，主要是通過(guò)試驗(yàn)儀器設(shè)備等對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)觀察和研究。20世紀(jì)80年代，國(guó)外就有許多學(xué)者開(kāi)始了有關(guān)三維編織復(fù)合材料的各項(xiàng)試驗(yàn)研究，主要研究了紗線和樹(shù)脂的各種參量對(duì)編織復(fù)合材料拉伸，壓縮，彎曲和層間剪切等力學(xué)性能的影響。國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)研究起步相對(duì)較晚，直到90年代后期才出現(xiàn)報(bào)道。目前已進(jìn)行包括低速?zèng)_擊和高能量碰撞在內(nèi)的各項(xiàng)試驗(yàn)研究。 內(nèi)容來(lái)自123456
三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的幾何模型

由于編織復(fù)合材料的基礎(chǔ)是紡織技術(shù)，對(duì)三維編織復(fù)合材料的研究，首先必須搞清楚紡織物結(jié)構(gòu)的幾何模型[4]。美國(guó)是研究編織復(fù)合材料最早的國(guó)家之一。20世紀(jì)80年代比較典型的幾何模型當(dāng)屬美國(guó)編織技術(shù)的先驅(qū)Frank K. Ko和Tsu－Wei Chou及其合作者最先提出的3 種幾何模型：第1種是Ko和Pastore[5]基于三維編織物中的紗線片段提出的一種單元胞體的“取向平均模型”，第2種稱(chēng)之為“‘米’字枝狀模型”，Ma和Yang等[6]把四步法編織復(fù)合材料的單元胞體結(jié)構(gòu)看成是由3根相互正交的紗線和4根對(duì)角紗線所組成，針對(duì)這些紗線的相互作用建立了細(xì)觀分析模型；第3種是Yang和Ma 等[7]的“纖維傾斜模型”。Yang等以由四步法編織的四向編織復(fù)合材料為對(duì)象，根據(jù)其預(yù)成形件內(nèi)纖維束的排列為鋸齒形的特點(diǎn)，建立了纖維偏斜模型。認(rèn)為在單胞內(nèi)纖維束沿長(zhǎng)方體的4個(gè)對(duì)角線方向排列，在注入基體后形成一個(gè)薄的斜板，4個(gè)偏斜的單向板形成一個(gè)單元，如圖2所示。

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進(jìn)入90年代后，各國(guó)研究人員對(duì)三維編織復(fù)合材料、編織程序、紗線在編織過(guò)程中的走向等進(jìn)行了更加深入的研究，得到了更為完善、合理的編織復(fù)合材料細(xì)觀模型。其中Du和Ko[8]介紹了4種不同的編織方式，通過(guò)單元胞體的方法建立了三維編織的幾何實(shí)體模型，給出了關(guān)鍵編織參數(shù)與纖維編織角和纖維體積含量之間的關(guān)系。Wang 和Wang[9]提出了一種描述三維編織預(yù)成形件的紗線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析方法。首先，采用定義控制體積的方法，描述在編織過(guò)程中形成的編織紗線的空間軌跡，基于紗線拓?fù)涠x了3種不同的單胞模型，分別代表預(yù)成形件的內(nèi)部、表面、角的結(jié)構(gòu)。內(nèi)部單胞的幾何形狀為一長(zhǎng)方體，包含四組相互交織的紗線，高為一個(gè)編織花節(jié)長(zhǎng)度。內(nèi)部紗線結(jié)構(gòu)與Li的結(jié)果相一致。表面和角單胞的幾何形狀均為三棱柱體，高為編織花節(jié)長(zhǎng)度，表面單胞中包含兩組相互交織的編織紗線，而角單胞中僅含有一組平行伸直的編織紗線，分析中，忽略了紡織紗線的橫截面形狀。在國(guó)內(nèi)，吳德隆和郝兆平[10]最早提出了以四步法為基礎(chǔ)“三細(xì)胞模型”，從細(xì)觀分析角度來(lái)看，紡織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是由重復(fù)的內(nèi)部基元（B.C）邊界上的面元（F.C）和角點(diǎn)的柱元（R.C）構(gòu)成，如圖3所示，三細(xì)胞模型的特點(diǎn)在于，根據(jù)編織幾何學(xué)很好地描述織物微觀結(jié)構(gòu)，可以分析拉壓雙模量材料，基體彈塑性材料及界面損傷對(duì)力學(xué)性能的影響。陳利和陶肖明等[11]對(duì)四步法三維編織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，揭示了紗線在預(yù)成形內(nèi)部、表面和角點(diǎn)區(qū)域的不同構(gòu)形，建立了編織結(jié)構(gòu)和編織參數(shù)之間的關(guān)系。龐寶君等[12]以四向編織復(fù)合材料為對(duì)象，建立了單胞的幾何結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了細(xì)觀上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 內(nèi)容來(lái)自123456



近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)矩形編織材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)給予了高度的關(guān)注，逐步建立了由簡(jiǎn)單“米”字型到三維實(shí)體的單胞幾何模型，推動(dòng)著力學(xué)模型的發(fā)展。鄭錫濤和葉天麒[13]系統(tǒng)地研究了四步法1×1方型編織工藝編制的預(yù)成形件及其增強(qiáng)的復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。提出了紗線橢圓形橫截面假設(shè)，考慮了編織紗線的細(xì)度和編織紗線填充因子的影響，創(chuàng)建了正軸模型。根據(jù)編織過(guò)程中攜紗器的運(yùn)動(dòng)軌跡特點(diǎn)，將預(yù)成形件劃分為三個(gè)不同的區(qū)域，分別定義了不同的控制體積單元，識(shí)別了編織結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)給出三維編織復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，三維編織示意圖見(jiàn)圖4。馮偉和馬文鎖[14]將編織物中連續(xù)的紗線離散開(kāi)來(lái)并用特殊的點(diǎn)符號(hào)表達(dá)，用點(diǎn)群和空間群分析現(xiàn)有編織材料幾何結(jié)構(gòu)，一方面可以合理地對(duì)現(xiàn)有編織材料幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和分類(lèi)；另一方面也可以將該理論用于推導(dǎo)編織材料幾何結(jié)構(gòu)新的和更為有效的編織方法。張美忠等[15]由于編織復(fù)合材料實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了使研究結(jié)果更真實(shí)，用現(xiàn)有成熟的有限元軟件仿真三維編織復(fù)合材料，并研究其各項(xiàng)力學(xué)性能已成為一種趨勢(shì)。



Pandey[15]等通過(guò)CAD建模技術(shù)來(lái)描述三維編織復(fù)合材料的代表性單元體，生動(dòng)而準(zhǔn)確地再現(xiàn)了復(fù)合材料的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Sun[16]等提出了數(shù)字單元法，并用該方法模擬了三維矩形編織結(jié)構(gòu)的編制過(guò)程，以確切的知道三維編織復(fù)合材料內(nèi)部每根紗線的路徑和預(yù)成型體的微觀結(jié)構(gòu)。借助VC++及SolidWorks軟件的參數(shù)化圖形建模特點(diǎn)，建立了能模擬各種編織參數(shù)預(yù)制體孔隙實(shí)體，計(jì)算孔隙體積及其表面積的軟件系統(tǒng)。

力學(xué)行為的理論研究

三維編織復(fù)合材料的力學(xué)模型是以上述細(xì)觀結(jié)構(gòu)的幾何模型為基礎(chǔ)的。20世紀(jì)80年代至今，代表性的工作有Ma和Yang等的彈性應(yīng)變能法、Yang和Ma等的纖維傾斜模型、吳德隆和郝兆平的三細(xì)胞模型、陳利的偏軸模型和鄭錫濤的正軸模型。90年代后期，梁軍等[16]應(yīng)用Eshelby 和Mori-Tanaka理論對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了細(xì)觀力學(xué)分析，然后與剛度平均化方法相結(jié)合，對(duì)含圓幣型基體微裂紋的三維編織復(fù)合材料彈性常數(shù)進(jìn)行了理論預(yù)報(bào)。孫慧玉[17]借鑒國(guó)外模型發(fā)展了纖維傾斜模型，考慮厚度方向的效應(yīng)，采用三維應(yīng)力-應(yīng)變分析，預(yù)報(bào)了有效彈性模量，并將此空間多向?qū)雍习辶W(xué)模型引入到了強(qiáng)度性能的預(yù)報(bào)。王波等[18]提出了剛度合成法預(yù)報(bào)編織復(fù)合材料剪切彈性模量，比較了整體編織試件和裁剪所得試件的理論剪切性能，分析了剪切性能隨試件沿寬度和厚度兩個(gè)方向內(nèi)部單胞數(shù)目的變化規(guī)律。目前也有關(guān)于編織復(fù)合材料彈性性能、損傷、強(qiáng)度以及在超常環(huán)境下性能的工作報(bào)道。陳利和陶肖明等[19]基于變分原理，提出用有限多相單元法來(lái)預(yù)測(cè)三維編織復(fù)合材料的彈性性能。劉振國(guó)和盧子興等提出了一種預(yù)報(bào)編織復(fù)合材料剪切性能的“米”字型體胞的有限元計(jì)算模型[20]。黃爭(zhēng)鳴[21] 建立了“橋接模型”并分析了編織復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度性能。徐焜和許希武[22]基于八邊形纖維束截面單胞模型，采用細(xì)觀非線性有限元方法，建立了三維四向編織復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷拉伸強(qiáng)度模型。曾濤等[23-24]利用四纖維體胞模型，提出了一種多相有限元數(shù)值法，基于Tsui-Wu失效準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則預(yù)報(bào)了三維編織復(fù)合材料的非線性響應(yīng)和損傷演化。Alzina[25]等用多尺度分析方法預(yù)報(bào)了低溫下編織復(fù)合材料的熱彈性性能。 123,123

結(jié)束語(yǔ)

三維編織復(fù)合材料已在航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，其應(yīng)用范圍還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。相對(duì)而言，三維編織復(fù)合材料的理論研究和試驗(yàn)研究都比較滯后。由于三維復(fù)合材料具有復(fù)雜的纖維構(gòu)造，加之編織工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、在復(fù)合材料過(guò)程中預(yù)成形件的擠壓變形、編織紗與基體的力學(xué)性能、空隙率以及紡織紗線與基體之間的界面損傷等諸多因素，影響它的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的分析與估算。三維編織復(fù)合材料的理論和工藝研究工作目前仍處于探索發(fā)展階段。有關(guān)三維編織工藝?yán)碚撨€有待進(jìn)一步地完善，新的工藝方法還有待開(kāi)發(fā)。分析三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能的方法還需要進(jìn)一步地發(fā)展，建立相對(duì)完善的強(qiáng)度準(zhǔn)則是擴(kuò)大三維編織復(fù)合材料使用的理論依據(jù)，同時(shí)，尋求準(zhǔn)確求解三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)解也是亟待解決的問(wèn)題。 copyright 123456

來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，鄭錫濤