三维编织复合材料是利用纺织技术,通过编织形成干态预成形件,将干态预成形件作为增强体,采用树脂传递模塑工艺(RTM)或树脂膜渗透工艺(RFI),进行浸胶固化,直接形成复合材料结构。作为一种先进的复合材料,已成为航空、航天领域的重要结构材料, 并在汽车、船舶、建筑领域及体育用品和医疗器械等方面得到了广泛应用。传统复合材料经典层合板理论已无法满足其力学性能分析,国内外学者建立了新的理论和分析方法。
RTM成型工艺是先在模腔内预先铺放增强材料预成形体,芯材和预埋件,然后在压力或真空作用力下将树脂注入闭合模腔,浸润纤维,固化后脱模,再进行二次加工等后处理工序,其基本原理如图1所示。
由于编织复合材料的基础是纺织技术,对三维编织复合材料的研究,首先必须搞清楚纺织物结构的几何模型。美国是研究编织复合材料最早的国家之一。20世纪80年代比较典型的几何模型当属美国编织技术的先驱Frank K. Ko和Tsu-Wei Chou及其合作者最先提出的3种几何模型:第1种是Ko和Pastore基于三维编织物中的纱线片段提出的一种单元胞体的“取向平均模型”,第2种称之为“‘米’字枝状模型”,Ma和Yang等把四步法编织复合材料的单元胞体结构看成是由3根相互正交的纱线和4根对角纱线所组成,针对这些纱线的相互作用建立了细观分析模型;第3种是Yang和Ma等的“纤维倾斜模型”。Yang等以由四步法编织的四向编织复合材料为对象,根据其预成形件内纤维束的排列为锯齿形的特点,建立了纤维偏斜模型。认为在单胞内纤维束沿长方体的4个对角线方向排列,在注入基体后形成一个薄的斜板,4个偏斜的单向板形成一个单元,如图2所示。
近年来,许多学者对矩形编织材料细观结构给予了高度的关注,逐步建立了由简单“米”字型到三维实体的单胞几何模型,推动着力学模型的发展。郑锡涛和叶天麒系统地研究了四步法1×1方型编织工艺编制的预成形件及其增强的复合材料的细观结构。提出了纱线椭圆形横截面假设,考虑了编织纱线的细度和编织纱线填充因子的影响,创建了正轴模型。根据编织过程中携纱器的运动轨迹特点,将预成形件划分为三个不同的区域,分别定义了不同的控制体积单元,识别了编织结构参数之间的关系,同时给出三维编织复合材料的设计方法,三维编织示意图见图4。
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