三维编织复合材料缝合连接设计及破坏机制.pdf
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1、第2 9 卷第6 期 2 0 0 8 年6 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 6 J u n 2 0 0 8 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 8 ) 0 6 一0 0 4 8 0 4 三维编织复合材料缝合连接设计及破坏机制 焦亚男1 2 ,李嘉禄1 2 ,韩雪梅3 ( 1 天津工业大学复合材料研究所,天津3 0 0 1 6 0 ;2 天津工业大学天津市和教育部共建先进纺织复合材料 重点实验室。天津3 0 0 1 6 0 ;3 核工业理化工程研究院。天津3 0 0 1 7 2 )
2、 摘要针对三维编织复合材料的缝合连接设计问题在研究制造工艺基础上,建立缝合连接的强度校核和参数 设计公式。绘制连接部件的内力响应。对不同搭接长度和缝合密度的三维编织缝合连接复合材料试件进行拉伸试 验,发现缝合连接接头主要发生3 种形式的破坏:在搭接的一端或两端整体断裂;搭接缝合区分层断裂;缝合区中 部分分层、部分整体断裂。机制分析表明,断裂模式主要受缝合参数的影响,也与内力分配和是否存在应力集中有 关实际应用中可以根据情况采用不同的连接形式。 关键词三维编织;复合材料;缝合连接;破坏机制 中图分类号:1 1 B3 3 2 ;T s1 0 6 6文献标识码:A D e s 追na n dd e
3、s t r o y i n gm e c h a I l i s mo fs t i t c h i n gj o i n t3 一Db r a i d e dc o m p o s i t e s J I A 0Y a n 粕1 ”,L IJ i a l u 。”,H A NX u e m e r ( 1 白“ 唧妇 缸把砌厶冗e s 枷船如船,讹咖P o 咖c n 幻踟枷盼,拖彬n3 0 0 1 6 0 ,c i 眦; 2 7 缸彬n 口蒯胁,l 缸叮矿删啪如n 砂肠6 D m 协可旷A d m n c e d 舰池c D ,r ¥琊讹肘讲e r 触,死口彬,l 凡哆眦 ,I 如i 唧3
4、渺, 嘞彬儿 3 0 0 1 6 0 ,劬i 眦;3 冠e s r c 胁f 矗船D ,耽声拓谢口,l dC k m 记剐E 咖一昭矿妇r 舰沁打y ,吼彬,l3 0 0 1 7 2 ,仍沉口) A b s t r a c t T h r g e t i n ga tt h ed e s i g no ft h ej o i n t i n go f3 Db r a i d e dc o m p o s i t e s ,as t r e n g t hp r 0 0 fa n dp a m m e t e r d e s i g nf o m m l aw e r ee s t a b l
5、i s h e da n di n t e m a If o r c er e s p o n s eo ft h ei o i n tp a r tw a sd r a w nb a s e do ns t u d i e so f m a n u f a c t u r ep m c e s s T e n s i l et e s t sw e r ec o n d u c t e do n3 - Ds t i t c h i n gj o i n tb r a i d e dc o m p o s i t e s 讯t hd i f e r e n t o v e d a p1 e n
6、 昏h sa n ds t i t c h i n gd e n s i t i e s T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ea 弛3p a t t e m so ff a c t u T ;e ,n a m e l y , b r o k e na to n eo rt w oe n d so ft h eo v e d a pa r e a ;d e l a 嘶n a t e di nt h es t i t c h i n gp a r t ;b r 0 k e n 鹊w e l l 觞d e l a m i n a t e d i
7、nt h es t i t c h i n gs e c t i o n A n a l y s i so fd e s t r o y i n gn l e c h a I l i s m si n d i c a t e dt h a tt h ef h c t u I e 删ei sd e t e 硼i n e db y s t i t c h i n gp 啪m e t e 瑙,a l s or e l a t e dt ot h ei n t e m a lf o r c ed i s t r i b u t i o na n ds t r e s sc o n c e n t r
8、a t i o n T h ej o i n tm o d e s c a nb ed e s i 印l e df l e x i b l yf o ra c t u a ll o a d i n gc o n d i t i o n s K e yw o r d s t h r e e d i m e n s i o n a lb r a i d i n g ;c o m p o s i t e ;s t i t c h i n gj o i n t ;d e s t m y i n gm e c h a n i s m 三维编织复合材料是由三维编织物增强的一种 高级复合材料,其结构是呈网状
9、不分层的整体,从而 具有优良的层间性能和综合力学性能。用三维编织 技术可以直接编织出各种形状、不同尺寸的三维整 体异型制件,用其制成的复合材料构件不需再加工, 避免了后加工造成的纤维损伤。 随着三维编织复合材料应用领域的逐渐扩大, 制件形状愈来愈复杂,单一的三维编织结构有时不 能满足一次成型的需要,因此连接设计在复合材料 结构中显得日益重要。广义上看,复合材料包含 3 个层次的连接:微观力学层次的纤维和基体的粘 接、宏观层次的层与层之间的连接以及结构层次的 复合材料零件的连接幢一。目前研究较多的是复合材 料零件之间以及复合材料零件与金属零件之间的连 接b 。1 。常规复合材料的连接主要采用金属
10、零件之 间的连接方法即胶接连接与机械连接。7 1 。胶接连 接不削弱构件断面及由此引起的应力集中,连接的 部位质量轻,耐腐蚀性好,但对热和湿很敏感,且仅 收稿日期:2 0 0 7 一0 5 一1 4 修回日期:2 0 c r 7 1 l 一2 5 基金项目:天津市科技攻关项目( 0 4 3 1 0 4 7 1 1 ) 作者简介:焦亚男( 1 9 r 7 l 一) ,女,副教授,博士。研究方向为三维纺织复合材料。E - m a i l :j i a o y n t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from
11、www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第6 期焦亚男等:三维编织复合材料缝合连接设计及破坏机制 。4 9 适宜较薄的构件连接。对于较厚构件、受力大的结 构多采用螺栓连接或铆接等机械连接,但开孔会引 起较大的应力集中,产生电化和腐蚀诸问题。 为适应三维编织复合材料的特点,采用缝合技 术进行连接旧1 ,缝合后与三维编织预制件一起复合 固化。根据受力的情况通过调整缝合参数设计出合 理的连接。这种缝合连接既不削弱断面,质量还轻, 对薄厚构件均适用。这种连接固化后的缝合线已成 复合材料棒,实际上是复合材料棒对复合材料的类 似螺栓或铆接连接。本文主要对三维编织
12、复合材料 缝合连接的设计以及拉伸破坏机制进行研究,以期 进一步开发和利用三维编织和缝合技术相结合的复 合材料构件。 l 连接设计原贝I 【 连接件主要是用来完成2 个被连接件之间的载 荷传递,当缝合连接件的抗力小于被连接构件的抗 力时,它即破坏,此时的工作状态主要是剪切。剪面 上剪应力的精确计算较困难,通常采用“假定计算 法”L 9 J ,实质上就是采用截面上的平均剪应力,或称 名义剪应力。材料的极限应力亦是名义应力。 图l 为三维编织复合材料的缝合连接示意图。 J p ( a ) 厚度方向 l 、 I ( b ) 宽度方向 图l三维编织复合材料缝合连接示意图 F i g 1 S c h e
13、】m t i cd i a 弘mo fs t i t c h i I l gj o i n ti n3 一D 蝴d e dc o m p i t e 8 ( 丑) n I i c I 【I l e 雏d i I 优t i ; ( b ) W i d t l ld i 咒c t i o n 缝合构件受到外力P ,假设用,t 条缝合线缝 合,每条缝合线受力为P n 。缝合线受单面剪切,故 每个受剪面上的剪力为 p = P ,n( 1 ) 设受剪面面积为A ,其上的缝合线直径为d ,则 名义剪应力r 为 其强度条件为r r 】,即: 兰( 3 ),ZSoJ、, 式中, r 为缝合线容许剪应力。 在缝
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