三维机织复合材料力学性能研究
三维机织凸台复合材料的力学模型及性能研究
已有 了诸 多成 果 ，对于 描述 三维机 织 复合材 料 的
纱线 细观 结构 的几 何模 型也 有很 多报 道 ，如在 纱 线截 面假 设模 型 中有双 曲透 镜形假 设 、椭 圆形 假 设 、跑 道 型假 设［ ６ － ８ 】 等 ；在纱 线轨 迹 假 设 中有 直 线假 设和 正 弦 曲线 假设 等 。但关 于三 维机 织 回转 体 复合 材料 】 的结 构模 型 却鲜有 报 道 。因此 本 文 以凸 台复合材 料 为例对 三维 机织 回转 体 复合材 料
用 专 门的 图形软 件来 分析 处理 照片 的纱线 截面 轨 迹 。通 过观 察可 见 ，纱线 的横截 面近 似为 椭 圆截
多个系 统 的纱线 连成 空 间网状 结构 ，然后 在 一定 条件 下与 基体 复 合而 得到 的 高性 能复 合材 料 Ｌ １ Ｊ 。 三 维机 织 复合材 料可 设计 性 比较强 ， 比强度 和 比 刚度较 金属 材料 高 ，而且 三维机 织 复合材 料 抗疲 劳性 、耐腐 蚀性 能好 ，能一次 性成 形外 形 比较复
纱线 的椭 圆截 面 ，如 图 １中所示 。椭 圆的 内接 八 边形倾 斜边 与 ｚ轴所 成 的角度 为 ，即几何模 型 中经 纱倾 角 的计 算值 。根 据模 型 中各个 几何尺 寸 计算经 纱在 实体 模 型 中的实 际长度 ，从 而确 定结 构 的单元 体 ，整个 复合材 料 的 凸台结构 由多个 单 元体 组成 。
ｊ
三维 机 织 复 合 材 料 的纱 线 骨 架 的细 观 结 构
比较 复杂 ，想 要较 为精确 的表 达其 力 学性 能 比较 难 ，因此 三维机 织 复合材 料 的纱线 骨 架与其 力 学
性能 的关 系一 直 困扰着 学者 。学者 们 在这个 领 域
三维立体织物复合材料研究与进展
三维立体织物复合材料研究与进展随着科技的发展，复合材料在工业、民用和军事领域中被广泛应用。
三维立体织物复合材料是一种新型的增强材料，具有高强度、高刚度、高韧性、成型性好等优点，已经成为各种工业材料中不可或缺的一种。
本文将从三维立体织物的结构、制备及其应用方面综述其研究现状及进展。
1. 结构三维立体织物复合材料是由不同面密度的织物构成的。
由于三维立体织物的结构特殊，其性能比二维复合材料更优异。
三维立体织物的结构通常由一个或多个三维交织的体和两个被称为“二面”的两个表层。
其中，三维交织的体是由纵向纤维、横向纤维和Z 向纤维相互交织构成。
在制备过程中，纵向纤维通过贯穿织物的织机械设备撬开，经过钩针或喷织设备将横向纤维和Z 向纤维与其相互交织。
每个层次的纱线和织物的间隔尺寸都是可调节的，这使得三维立体织物的结构通过控制纵向、横向和Z 向的纱线结构来实现。
2. 制备三维立体织物复合材料制备技术是目前研究的热点之一，目前已经研制出许多相应的生产工艺，包括针织法、喷织法、无纺布法、编织法等。
( 1)针织法：是一种纱线由一台细针织机械编成的三维结构。
它采用针织设备排列的行和针织面来构造一个连续的、无缝的三维结构织物。
在织物的表面和内部织有不同的纱线密度或纺织结构。
( 2)喷织法：是一种通过喷织纤维来制造三维立体织物的方法。
将树脂/纤维复合材料从喷嘴或泵喷出，并通过喷嘴将复合材料沉积在三维织物上。
在制备过程中，纵向纤维通过喷嘴或滚轮决定，横向纤维和Z向纤维则通过喷射进行构造。
( 3)无纺布法：是一种制造无纺布的方法，其特点是不需要经过织造过程，可以快速制造出优质的三维立体织物。
目前，无纺布法主要采用热风交织、喷丝和湿法交织等方法来实现。
(4) 编织法：与纺织品的编法类似，纵向纤维被编织成为连续结构，然后横向纤维和Z 向纤维被插入编织的结构中，形成一个具有三维立体结构的织物。
3. 应用三维立体织物复合材料具有优异的力学性能及成型性等特点，因此广泛应用于航空航天、军事、汽车、建筑和医疗等领域。
树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究
收 稿 １期 ： ０ ５ ４ ４ ３ ２０ － － ；修 订 １期 ： ０ ５ ６３ ０ ０ ３ ２０ － — ０ ０
１２ 测 试 标 准 和 方 法 ．
成复 合材 料试 片 。这 ４种 结构 的复合 材料 已经 多次
成功 地应 用 于卫 星相机 支架 、 雷达 天 线罩 等制 件 中。
本工 作对 这 ４种 常 用 的 ３ Ｄ机 织 复 合 材 料 的拉 伸 、
弯曲、 压缩 等性 能 进 行 了 系统 的 实 验 研 究 和 分 析 。
１ ２ ２ 复 合 固 化 ．．
复 合 固化 采 用 Ｒ Ｍ（ ｅｉ Ｔ ａｓ ｒ ｌｉ 工 Ｔ Ｒ ｓ ｒｎｆ ｄｎ ｎ ｅ Ｍｏ ｇ） 艺， 即树脂 传 递模 塑 法 固化 成 型 。 本试 验 所 用 树 脂 为环 氧树 脂／ 固化 剂／ 化 剂 以一 定 比例 配 制 而 成 ， 催 密度 为 １ ２ ｇ ｃ ． ６ ／ ｍ 。复合 固化后 的试 片 尺 寸及 纤 维 体积 含量 如表 １所 示 。考 虑 到 ４种不 同结构 复 合材 料试 片 的纤维 体 积 含量 差 异 不 大 ， 在后 面 的 实验 测 试分 析 中视纤 维 体积 含量 为 等同 。
三 维 （ Ｄ） ３ 纺织 复 合 材 料 是 应 航 空 航 天 、 舶 、 船
汽车 、 建筑 等领 域 的需 要 而于 ７ ０年 代崛起 的先进 复
实验 和分 析 的结果 一方 面 丰 富 了三 维机 织 复合 材料 的力学 性 能数 据 库 ； 一方 面 为 三维 机 织 复 合 材 料 另 的应用 提 供 了 ６年 ｌ ０月
航
空
材
料
学
报
Ｖｏ ． １２６．ＮＯ ５ ． Ｏｃｏ ｅ ２ ６ ｔｂ ｒ ００
三维编织复合材料力学性能研究进展
国内外在近 30 年内对三维编织复合材料的细观结构与 观力学性能之间的关系进行了研究和探索 取得了一些突出 的成就 并逐渐发展成力学和材料领域的一个热门研究方 向。在试验方面，自 20 世纪 80 年代起，MACANDER 等[3] 就对三维编织复合材料的拉压剪弯等典型静态力学性能进 行了系统的试验研究；KALIDINDI 等[4]研究了纤维体积含量 和编织角对材料力学性能的影响；SHIVAKUMAR 等[5]进一 步揭示了三维编织复合材料的压缩强度和失效机制。关于三 维编织复合材料冲击力学行为和断裂形态随应变率的变化 趋势也有相关报道[6-7]。
科技与创新┃Science and Technology & Innovation
文章编号：2095－6835（2021）13－0108－06
2021 年 第 13 期
三维编织复合材料力学性能研究进展
吴亚波，江小州，刘 帅，袁 航，张尧毅，惠永博，侯荣彬
（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610056）
国内也不乏试验研究三维编织复合材料力学性能的相 关报道。张迪等[29]对比研究三维多向编织和层合板复合材料 的力学性能。四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三 维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合 材料利用帘子布制成，分别为 0°单向板、90°单向板和层合 板［0 /（ ± 45）2 /90］2s。同时进行拉伸、压缩和剪切试 验。结果表明与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩 性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试 样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低； 发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。李 翠敏等[30]研究了三维编织碳纤维复合材料的剪切性能，结果 表明，三维五向较三维四向编织复合材料剪切性能好；三维 编织复合材料剪切强度沿长度方向随着编织角的减小而增 加；切边三维编织复合材料试件受剪切破坏时在加载点附近 侧表面裂缝沿纱线走向分布，上下两表面发生弯曲破坏。李 苏红等[31]试验分析评价了编织结构参数对复合材料拉伸性 能的影响，且对复合材料的破坏模式进行了研究。实验结果 表明，编织角、复合材料尺寸、纤维体积含量、轴向纱数与 编织纱数之比等对复合材料的性能有较大的影响，复合材料 有两种破坏模式，一种是裂纹沿纤维束扩展，另一种是纤维 束拉断，后者为主要破坏模式。 2 三维编织复合材料力学性能的理论研究 2.1 几何模型和力学模型
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能
正交-准正交复合三维机织复合材料力学性能作者：申晓刘向东田伟祝成炎来源：《现代纺织技术》2019年第02期摘要：为弥补单一结构三维机织复合材料在性能方面的不足，研究正交-准正交复合三维机织复合材料的力学性能。
以高强涤纶长丝为原料，分别织造四层正交和准正交三维机织结构作为预制件，依据均衡对称准则设计4种复合结构，选用双酚A环氧乙烯基脂为基体，制备正交、准正交及复合三维机织复合材料，并对制得的复合材料进行经向拉伸和弯曲性能测试。
结果表明：准正交三维机织复合材料的经向拉伸和弯曲性能均优于正交三维机织复合材料;在复合三维机织复合材料中，复合顺序对复合材料性能的影响大于复合比例;正交结构位于材料表层时复合材料可以获得更优异的力学性能。
关键词：复合结构;三维机织物;复合材料;经向拉伸性能;经向弯曲性能中图分类号：TS195.644文献标志码：A文章编号：1009-265X（2019）02-0006-06Abstract：In order to make up for the performance defect of 3D woven composite with single structure， mechanical properties of orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven composites with combined structure were investigated. The high-strength polyester filament yarn was used as the raw material to weave four-layer orthogonal and quasi-orthogonal 3D woven structures as preformed units， and four kinds of combined structures were designed according to the principle of symmetry. Orthogonal woven composites， quasi-orthogonal woven composites and combined 3D woven composites were prepared by using bisphenol A epoxy vinyl ester as the matrix. Tensile and bending properties of the composites at warp direction were tested. The results indicated that tensile and bending properties at warp direction of the quasi-orthogonal woven composites were better than that of the orthogonal woven composites. Among the combined 3D woven composites， the effect of combined sequence was greater than the combined ratio. When the orthogonal structure was laid on the surface of the composites， the composites could get better mechanical properties.Key words：combined structure; 3D woven fabric; composite; tensile property at warp direction; bending property at warp direction三维机织复合材料是利用机织加工方法将多个系统的纱线连为空间网状结构，然后在一定条件下与基体复合而得到的一种高性能复合材料，具有良好的可设计性并且由于厚度方向上存在增强纤维，其强度、刚度、抗冲击性和抗疲劳性优良[1]。
三维编织与层合复合材料力学性能对比试验
三维编织与层合复合材料力学性能对比试验张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【摘要】对比研究利用相同碳纤维、基体和相同制备工艺（RTM）加工的三维多向编织和层合板复合材料的力学性能。
四种三维多向编织结构分别利用三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织工艺制备；三种层合复合材料利用帘子布制成，分别为0°单向板、90°单向板和层合板[0／（±45）2／90]2s。
采用相同的拉伸、压缩和剪切试验方法对各类试样进行试验。
结果表明：与三维编织试样相比，0°单向板的拉伸和压缩性能最高，而其他层合试样的各项性能均较低；对于编织试样，编织角越小，纵向拉伸和压缩性能越高，剪切性能越低；编织结构也是影响编织试样力学性能的重要因素。
同时，对试样的破坏模式也进行了讨论，发现编织结构和编织角是影响材料破坏模式的重要因素。
%The mechanical properties between three-dimensional (3D)braided and laminated composites were comparatively studied. These two sorts of composites were produced by the same carbon fiber,resin matrix and the same preparation process (RTM).There were totally four kinds of 3D multi-directionally braided composites,which contain 3D four-direction (3D4d ),3D five-direction(3D5d),3D six-direction (3D6d)and 3D seven-direction (3D7d)braiding respectively.And the three kinds of laminated composites manufactured utilizing tire cord fabric were 0°,90°and[0 /(45)2 /90]2s laminates.The mechanical properties of braided and laminat-ed specimens were measured by the same tension,compression and shear testingmethods.The results show that the properties of lami-nated compositesare worse than that of 3D-braided composite except 0°unidirectionallaminates.As to the braided composites,the smaller the braiding angleis,the better longitudinal properties and worse shear properties are.The braiding fabric is also an important factor which affects the mechanical properties.Meanwhile,the failure modes were also discussed,and the results show that,braiding fabric and the braiding angle are the main factors that affect the failure mode.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】8页(P89-96)【关键词】复合材料;三维编织;试验;力学性能;破坏模式【作者】张迪;郑锡涛;孙颖;范献银【作者单位】西北工业大学航空学院，西安 710072;西北工业大学航空学院，西安 710072;天津工业大学复合材料研究所，天津 300160;西北工业大学航空学院，西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TB332近30年来，国内外学者开展了大量针对三维编织复合材料的研究工作[1～10]。
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析
复杂载荷作用下的三维编织复合材料力学性能分析姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【摘要】基于螺旋型单胞几何模型和多相有限元理论,建立了三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析模型.通过对代表体积单胞施加不同的复杂载荷比,数值预报了三维四向编织复合材料在双向拉伸和拉剪载荷作用下的破坏点,得到了材料的破坏包络线.结果表明,编织角对三维四向编织复合材料在复杂载荷作用下的破坏影响较大,编织角比较小时,应重视复杂载荷之比对材料破坏的不利影响.此方法为三维编织复合材料在复杂载荷作用下的力学性能分析提供了有效方法.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2018(023)004【总页数】5页(P108-112)【关键词】三维编织复合材料;力学性能;螺旋型几何模型;复杂载荷【作者】姜黎黎;徐美玲;王幸东;翟军军【作者单位】哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学工程力学系,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言三维编织复合材料由于其增强体为三维整体编织结构，突破了传统复合材料层合板结构的概念，在提高复合材料层间强度、抗冲击、抗断裂和损伤容限等方面具有巨大的优势和潜力，同时具有优良的可设计性，可以一次成型复杂的零部件。
因此，三维编织复合材料受到工程界的普遍关注，在航空、航天、国防、体育用品和生物医疗等领域得到了广泛应用[1]。
Ma、Yang、Kalidindi和吴德隆[2-5]等在详细分析了三维编织复合材料的成型技术与编织工艺的基础上，分别建立了“米”字型单胞模型、纤维倾斜模型、螺旋纤维模型以及三胞模型，并基于这些细观结构几何模型研究了三维编织复合材料的刚度Ko[6]对三维编织石墨/环氧树脂复合材料进行了拉伸实验，结果表明近似垂直于加载方向失效面上的纤维断裂是引起三维编织复合材料失效的主要原因。
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析
四步法三维编织复合材料力学性能的有限元分析本文提出了一种新的单胞模型，并采用有限元法分析了三维编织复合材料的力学性能。
本文给出了一种三维编织预制件的纱线编织结构的分析方法，得出了编织纱线的运动规律。
编织纱线由携纱器携带，沿携纱器的运动趋势线方向运动。
采用最小二乘法分段对携纱器的相关运动位置点进行拟合，得到编织过程中纱线的空间运动规律，在此基础上，获得的预制件结构的单胞模型，包含内部单胞，表面单胞和棱角单胞。
单胞的取向平行于预制件的表面。
并建立了编织工艺参数和几何结构参数的关系，通过实验验证，证明了工艺参数和几何结构参数之间关系的正确性。
本文在上述几何模型的基础上，建立了有限元的分析模型并进行数值计算来预报三维编织复合材料的弹性模量。
对于三维编织复合材料来说，其划分的单元内既含有基体材料又含有纤维束材料，而且两种材料间还存在界面。
对于这类单元难以用通常的有限元方法进行分析。
因此本文提出了一种新的离散单元模型，将细观单胞作为离散单元对三维编织复合材料进行宏观网格剖分，然后对细观单元进行分析。
根据结构单胞模型，将长方体单胞理想化为加强筋单元，即由一个各向同性弹性基体材料长方体和不同取向具有单轴刚度的纤维单元叠加而成。
并推导了加强筋单元的刚度矩阵，在给定的边界条件下，得出三维编织复合材料的模量。
通过相应软件的编制，使得只要输入相应的编织工艺参数，便可快速，及时准确的做出预报。
并进行了实验验证，预测结果和实验结果吻合较好，证实了三维编织复合材料弹性模量预报的精确性。
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能则随厚 度方 向的纤维体积分 数的增 加成形 工艺 和纤
维 的体 积分 数 等 都 对 材 料 的力 学 性 能 有 着 直 接 的影 响， 在研 究三 维机 织 复合 材 料 时 应重 点 考 虑 上述 因素
的变化 对材 料性 能 的影 响 ， 合理 安排 相关 的参数 ， 使材
我们 不能 忽 略几 何 形状 对 材 料 性 能 的影 响 ， 合理
的几何 形 状会 起到 提 高 材 料性 能 的作 用 ， 而 且 为 材料 的设计 选 用提 供 的构件 方便 。
１ ． ２ 纤 维 体 积 含 量 对 材 料 性 能 的 影 响
致， 解决 了纱 线接 节 过渡 问题 ， 系统 地研究 了直 交和 弯
杨 连 贺等Ｌ ８ 提出， 截 面恒 定 不 变假 设 显 然 与 实 际
纤 维 的体 积含 量 是影 响复合 材料 力学性 能 的一个 重 要 参数 ， 其最 大值 与纤 维 在 复 合 材料 中 的排 列 方 式 有关 。三 维机 织 复合 材 料 的 纤 维体 积 分 数增 大 ， 材 料
料达 到 工程 的要 求 。 ２ 三维 机 织复合 材 料细观 结构 及对材 料性 能的 影响
２ ． １ 编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响
泛， 它较层 合 板复合 材 料有 很多 优势 ， 其刚度 、 强度、 冲
击韧 性 和抗 疲 劳 性［ ３ “ 都 比较 好 ， 可 成 形 比较 复 杂 的 零 件 。由于 三维机 织 复 合 材 料 的 内部 结 构相 当复 杂 ， 从 宏 观外 形 到细观 结构 模 型上各 种 因素对 它的力 学性 能都 有影 响 ， 因此对 于研究 者来说 ， 正 确理解 这 些 因素
收 稿 日期 ：２ ０ １ ２ １ ０ ～ １ ６ ；修 回 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ２ — １ ９
力 学 性 能 的 诸 多 因素 。 研 究 发 现 ，机 织 复 合材 料 的 性 能 与 多 种 因素 有 关 ， 同 时也 对 三 维机 织复 合 材 料 今 后 的 发 展 提 出 了一 些 看 法 。 关 键 词 ： 机 织 复 合 材 料 ；力 学 性 能 ； 影 响 因素 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
１ ． １ 几 何 形 状 对 材 料 性 能 的 影 响
般较大。 Ｖａ ｎ ｄ ｅ ｕ ｒ ｚ ｅ ｎ Ｐ等［ ５ 提 出 了将 纱 线 横 截 面 用 双 凸
２ ． ２ 纱线 的横截 面形状 对材料 性 能的影 响
三维 机织 物成 形 能 力 比较 强 ， 能够 成 形 比较 复 杂 的零 件 ， 如 变厚 度实 心 板 、 中孔结 构箱 式梁 、 工字 梁 等 ， 而且操 作 程序 简单 ， 成 本 小 。整 体 复合 材 料 可 以从 根 本 上解 决 层 间开裂 问题 ， 减 小缺 口的敏 感性 ， 使 材料能
三 维机 织 复合 材 料 力 学 性 能研 究
高旭 东 ，马 贵春 ，姚
（ 中北大学，山西 太原
君
０ ３ ０ ０ ５ １ ）
摘 要 ：综述 了三 维 机 织 复 合 材 料 力 学 性 能 的研 究 和 进 展 ， 从 宏 观 到 细 观 模 型上 分 析 了影 响 三 维机 织 复 合 材 料
第 ２期 （ 总第 １ ７ ７期 ）
２ ０ １ ３年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（ ） Ｍ ＡＴＩ （ ） Ｎ
ＮＯ． ２ Ａ ｐｒ ．
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ６ ４ １ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ２ ２ ０ — ０ ２
交 的结 构 模 型 ， 建 立 了如 图 ２所 示 的 力 学 模 型 （ 图 ２ 中， ｎ 、 ｂ分别 为 椭 圆 的长 轴 和 短 轴 半 径 ， Ｌ 为 经线 的 直 线段 长度 ， 为 经线 的倾 角 ， ｑ 、 分 别 为相 邻 纬 线 的 横 向和 纵 向距离 ， 为经 线直 线段 的半 径） 。
够承受 更 大 的载荷 。
透镜 形 状来 描述 ， 如 图 １所示 （ 图 １中 ， ｗ Ｒ 分 别 为
纱线 截 面 的宽度 、 厚 度 和 凸圆 的半 径 ） 。在 国 内 ， 北 京
航 空航 天大 学 的燕 瑛 、 成传贤［ ６ 延 续 了双 凸形 截 面假 设， 对三 维机 织 复合 材料进 行 了细观 结构分 析 。 周 光 明等［ ７ 提 出纱 线 截 面 为椭 圆形 的假 设 ， 假 设 纱线 的截 面 形 状 保 持 不 变 ， 经、 纬 纱 线 束 的变 形 率 一
卢 子兴 等 分 析 了编 织 角 的 大 小 对 材 料 性 能 的影 响， 他指 出编织角 的大小 与刚度 和强 度成反 比关 系 ， 在 相 同 的纤维 体积 含 量下 ， 编织 角大 的 复合 材 料 泊 松 比
一
对 材 料力 学性 能 的影 响是工 作 的核心 。
１ 三维机 织 复合材 料 宏观 结构 及对材 料 性能的 影响
０ 引 言
的剪切 强度 、 抗 冲击 性能也 随之 提高 ，但材料 面 内的性
层合 板 复合材 料 由于在 厚度 方 向上是层 合结 构导
致材 料有 一 些 不 足 ： 易分层 ， 刚度、 强度低 ， 剪 切 强 度 低， 冲击 韧 性 和 抗 损 容 限 都 很 差 Ｌ １ ］ 。在 各 向受 力 均 匀 的情况 下 ， 使 用 三 维机 织 复 合 材料 能 够 有 效 克 服层 合板 材料 在 厚度 方 向上 的分层情 况 。 三维 机织 复合 材料 在航 空航 天领 域 的应 用 比较广