维机织复合材料的几何结构模型与验证.pdf
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1、第3 0 卷第5 期 2 0 0 9 年5 月 纺织学撤 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 5 M a y 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 2 0 0 9 0 5 0 0 5 8 0 6 2 5 维机织复合材料的几何结构模型与验证 曹海建,钱坤,盛东晓 ( 江南大学纺缓歉装学貔,巍苏无锈2 1 4 1 1 2 ) 摘耍为验证2 5 维机织复合材料结构与其力学性能的关系,基于对材料断砸显微照片的观察翔分析,假定纤 维秉藏嚣隽琵遂形,建立了2 。5 维撬缀笈会糖耱黪零嚣结擒穰爨。疆蘩摸燮推导出纱
2、线在蔑秘典麓缭擒( 浅交弯 联、浅突直联、深角联) 的单她体结构内的纱线长度、接结经的取向角和纤维体积分数,并对材料进行拉伸、压缩性 能预测。制作了满足要求的2 ,5 维机织簸合材料试验件并对其进行力学性熊测试,通过试验值和预测值的对比,验 涯氏舞摸型静爱镶性。 关键词 纤维体积分数;2 5 维机织复合材料;力学饿能;结榆模氆;取向角 中圈分类号:T B3 3 2文献标志码:A G e o m e t r ym o d e la n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no f2 5 - Dw o v e nc o m p o s i t
3、 e s C A OH a i j i a n ,Q I A NK u n ,S H E N GD o n g x i a o ( C o l l e g eo fT e x t i l ea n dC l o t h i n g ,J i a n g n a n 洳,W u x i ,J i a , 垮u 2 1 4 11 2 ,C h n a ) A b s t r a c t I no r d e rt ov a l i d a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i
4、c a lp r o p e r t i e so f2 5 - Dw o v e n f a b r i cc o m p o s i t e s ,t h eu n i t c e l lg e o m e t r ym o d e lo f 2 5 一Dw o v e nc o m p o s i t e sw a sb u i l t b y a d o p t i n gt h e a s s u m p t i o no fr a c e w a yf i b e r so nt h eb a s i so ft h em i c m g r a p ho b s e r v a
5、t i o na n da n a l y s i so ft h ef a b r i cs e c t i o n T h e g e o m e t r ym o d e lf o r m u l a ri su s e dt od e d u c et h el e n g t ho fy a m s ,t h eo r i d e n t a t i o na n g ho ft h en o d u l a t e dy a m s a n dt h ef i b e rv o l u n 犯c o n t e n to ns o m et y p i c a l2 。5 - Dw
6、 o v e nc o m p o s i t e s 。s u c h 鹬s h a l l o wC u r v e l i n k i n g s t r u c t u r e s , s h a l l o ws t r a i g h t w l i n k i n go n e s ,a n dd e p pa n g l e l i n k i n go n e s ,a n dt e n s i l es t r e n g t ha n dc o m p r e s s s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e sa r ef o r
7、 e c a t e d E x p e r i m e n t a ls a m p l e so fm e e t i n gt h en e e do f2 5 - Dw o v e nc o m p o s i t e s a r em a d ea n de x p e r i m e n t sa l ep e r f o r m e d 。T h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sa g r e ew e l l 话t l lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。t h u s t h ep
8、 r o p o s e dm o d e li sv e r i f i e d K e yw o r d s f i b e rv o l u m ec o n t e n t ;2 5 一Dw o v e nc o m p o s i t e s ;m e c h a n i c a lp r o p e r t y ;g e o m e t r ym o d e l ;o r i e n t a l a n g e l 近年来,复合材料在汽军、飞机、航天器中的应 用从次承力构件逐渐发展到主承力构件,因而,人们 对三维织物复合材料静关注越来越多。复合奉| 瓣的 预制件三维织物可以用多种方
9、法形成。如机织 法、针织法、编织法簿3 J 。2 5 维机织复合材料是 三维复合材料麓一个重要分支,其最大特点是纱线 沿与织物厚度方向星一定角度的方向配鼍,从而增 强了织物层问连接强度。2 5 维机织复合材料本身 又包括多种多祥的结构。如浅交弯联、浅交直联、深 角联等,稃配合纤维原料、粗细、织物密度、织造张力 及复合材料,可满足不同的力学性能要求H q l 。 随着三维机织复合材料应用的日益广泛,深入 研究其继巍结构显褥尤为重要。秘蓠,匡鳋瓣戴已 作了一定的研究工作,并有些公开发表的论文0 7 。, 但这些分析模型都是研究某一特定结构对材料力学 栏能的影墒,存在一定的局限性。本文基予对2 。5
10、 维机织复合材料断面显微照片的观察和分析,假定 纱线截面为跑道形,建立了具有普遍适用意义的单 元结构几何模型。利用模型推导獭材辩在1 个结构 单元内的长度、取向角等参数值,弗通过试验验证了 收藕鑫麓:2 0 0 8 0 4 1 7修麓丑鬻:2 0 0 8 1 2 0 8 基金项目:江苏省科拽史撑计划( 嚣业) 项目( B E 2 0 0 8 0 1 7 ) 作者简介:曹海建( 1 9 r 7 9 一) ,男,工程师,硕士。童要研究领域为纺织复合材料的研裳,E - m a i hc a o h a i j i a n 2 0 0 1 0 1 6 3 c o m 。 万方数据 PDF Waterm
11、ark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期营海建等:2 5 维机织复合材料的几何结构模型与验证 + 5 9 模型的正确性。 12 5 维机织复合材料细观几何结构 l 。l2 5 维机织复合材料细臻结构介绍 2 5 维机织结构是靠接结纱线在织物的厚度方向 上将若干层蕈叠排列的二维机织结构接合起来,使之 成为整体性能良好的2 。5 维结构。典麓的2 5 缝机织 结构如图1 所示。图1 ( a ) 、( b ) 为角联接结的2 5 维 执织结构,在该类结构中,所有的接结经纱沿对角方 向
12、依次穿过褶邻的2 歹l j 翻2 行纬纱;图l ( c ) 为正交接 结的2 5 维机织结构,在该类结构中,所有的接结经 纱沿厚度方向在相邻的2 列纬纱中穿过n 引。 ( a ) 深角联结构 溪颡 涵) 浅交巍联结梅( e ) 浅交弯联络构 图12 5 维机织复会材料结构涿意图 F i g 。1 s l a u c t u r ed i s p l a yo f2 。5 - Dw o d e nc o m p o s i t e ( a ) D e e pa l l g l 小l i n ks t r u c t u r e ;( b ) S h a l l o ws t r a i g h
13、t - l i n k s t r u c t u r e ;( c ) S h a l l o wc u r v e l i n ks t r u c t u r e 董2 经纱截两形状提取 采用示踪法与M a t L a b 图像处理技术确定2 5 维机织复合材料纱线截霹翻轨迹。为了获褥纱线截 面形状,需对材瓣进行多次切片,如黼2 ( a ) 、( b ) 所 示。将每次切片后的2 5 维机织复合材料进行照片 采集,利用M a t L a b 将图像二值化,再通过编写的程 序提取二值化后的图像轮辟即可得到经纱的走向曲 线及截面形状,如图2 ( C ) 、( d ) 所示。由图2 可知, 2
14、 5 维撬织复合豺料经纱截嚣可视搀1 个矩形与 2 个半圆形组合弼成,因此,本文采用跑道形假设进 行分析计算。 l 。3 基本假设 圈3 示出2 5 维机织物接结经纱的几何形态。 为定量描述织物的细观几何结构,结合上面的 分析,采取如下缎设。 1 ) 经、纬纱线均采用跑道形假设,在相邻上下 图2 经纱截面形状提取 F i g 。2E x t r a c i n go fs e c t i o ns h a p eO l f lw a r p 8 ,S e c t i o n t r a c el i n es h a p eo fw a r p ;( b ) S e c t i o ns h
15、a p eo fw a r p ; ( c ) T r e n de t n v eo fw a r p ;( d ) S e c t i o ns h a p eo fe x t r a c t e dw a r p 图3 潼复单元中接结经纱沿轴淘的几何形态 F i g 。3 G e o m e t r yc o n f i g u r a t i o no fb i n d e ra l o n ga x i s d i r e c t i o ni nr e p e a tu n i t 2 搬纬纱之阚,经纱呈繁密撵列状态;2 ) 纬纱轴线势 童线,经纱的轴线分为2 段:一段是与纬纱密切
16、接触 的曲线段,另一段是赢线段;3 ) 在织物各处纱线束的 截藩形状保持不变蘧纾维接到均匀;4 ) 在同一织物 中经、纬纱线束的变形率一致。 2 结构单元几何参数 2 1 接结经纱长度与经纱取向角 盘圈3 知,在结梅单元孛,搂结经纱在长发方岛 可分为8 段,其中P o P ,、P :P ,、P 。P ,和P 6 P ,为赢 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 6 0 纺织学报第3 0 卷 线段,P 。P 2 、P 3 P 4 、P 5 P 。和P ,P
17、 8 为圆弧段。在1 个 结构单元中,接结经纱的长度。是上述直线段和圆 弧段的总和。 7 。= P 。P 州 ( 1 ) m 。= 0 2 1 1 角联接结经纱长度 角联接结结构的几何模型如图4 所示,其接结 经纱长度可通过式( 2 ) 计算。 图4 角联接结结构的几何模型 F i g 4G e o m e t r ym o d e lo fa n g l e l i n ks R u c t u r e 接结经纱直线段长度P 。P l _ P 4 P 5 = A ,_ B 。; 接结经纱圆弧段长度P 1 P 2 = P ,P 4 = ( B 。+ B 。) 口b ; 接结经纱斜直线段长度P
18、:P ,= M 。M :+ M :M 。+ M 。M ,。其中 州:地址器:瓷岩 M :娘= 等= 裂 所以,接结经纱斜直线段长度 P 2P 3 = M lM 2 + M 2 M 4 + M 4M 5 = B 。+ B b 、可+ 1 0 0 ( 一1 ) P 。C O S0 h 将上述数据代入式( 1 ) ,得到角联接结结构经纱 长度 。= 已P m + 。= 2 【A ,一B 。+ ( 口。+ t a l 6 b ) ( + 锚】 ( 2 ) 式中:A 、B 为纱线( 接结经纱、纬纱) 截面的长、短直 径,下标W 和b 分别表示纬纱和接结经纱,A 。为纬 纱的长直径;B 。为纬纱的短直径;
19、B 。为经纱的短直 径;口。为接结经纱的取向角;n 。为接结深度:即接结 经纱在织物厚度方向所穿越过的纬纱行数;P 。为纬 密,根1 1 0c m 。 2 1 2 正交接结经纱长度 正交接结结构的几何模型如图5 所示,其接结 经纱长度可通过( 3 ) 式计算。 图5 正交接结结构的几何模型 F i g 5G e o m e t r ym o d e lo fo r t h o g o n a l - l i n ks t r u c t u r e 接结经纱直线段长度P 。P 。= P P ,= A 。一B ,; 接结经纱圆弧段长度P 。P 2 = P 3 P 4 = 寺( B 。+ B b
20、) 口b ; 接结经纱斜直线段长度P :P 。= M 。M :+ 肘:眠+ 肘。眠。其中 , o ,M 。专( 曰- + B b ) M 1M 2 = 眠帆= l t a n 兰0 b = 二百万一 删。= 酱= 熊掣斧型 所以,接结经纱斜直线段长度 P 2P 3 = M IM 2 + 肘2 肘4 + 肘4M 5 = 日。+ 曰b( n 一1 ) ( B 。+ B b ) 1 :;矿+ 五万一 将上述数据代入式( 1 ) ,得到正交接结结构经纱 长度 厶= J P 。P 训= 2 【A 。一B ,+ ( B ,+ 刚( 生品半) 】 2 1 3 接结经纱取向角 根据接结经纱的几何形态,还可计算
21、出接结经 斜向纱段的取向角。对于角联接结结构( 如图4 所 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期曹海建等:2 5 维机织复合材料的几何结构模型与验证 6 1 s i n 箍= 耥 接结经纱的取向角 a r c s i n ( 丽) 2 2 纤维体积分数 根据组成2 5 维机织结构各纱线系统的纱线长 度和取向角,若给定各系统中的纱线根数并已知纱 线的截面积,就可以通过式( 5 ) 来估计复合材料的纤 维体积分数,即通过组成机织结构单元各纱线系统
22、的纤维体积之和与结构单元的体积之比给出纤维的 体积分数,即: 以:坐掣1 0 0 : y ,= 1 万一X 1阳 = 堕垡毫睾丝进1 0 0 ( 5 )rrr o 、, L x L y 乜 式中:L = I O O n f u l P 。,L = 1 0 0 n 。P ,丘= L h ( n l 一1 ) + 2 B b + B 。;n 为纱线根数;L 为纱线长度,m m ;S 为纱 线截面积,m m 2 ;后为纱线的纤维填充因子,;L ,、 ,、厶为结构单元的尺寸,m m ;厶为相邻2 根纬纱 在厚度方向上的距离,m m ;n f 为纬纱沿厚度方向上 的根数,即纬纱的层数。 2 3 几何参数
23、与性能预测 本文选用了3 种2 5 维机织复合材料( 浅交弯 联、浅交直联、深角联) 进行研究。从每种结构的复 合材料板材中各取5 个试样,采用G B1 4 6 3 - - 1 9 8 8 推荐的测试方法,获得试样的纤维体积分数。表1 中列出了对复合材料试样的纤维体积分数测试结 果。为便于比较,由式( 5 ) 所计算的模型预测值也同 表列出。 表12 5 维机织复合材料纤维体积分数 T a b 1F i b e rv o l u m ec o n t e n to f2 5 Dw o v e nc o m p o s i t e s 由式( 4 ) 结合表1 知:1 ) 对于相同层数( 4 层
24、) 2 5 维机织复合材料,接结经纱取向角口。大小关系为浅 交弯联 浅交直联一深角联;2 ) 纤维体积分数大小 关系为浅交弯联 浅交直联 深角联。 从纤维增强的角度出发,决定2 5 维机织复合 材料力学性能的2 个重要因素是纤维的取向( 接结 经纱取向角臼。) 和纤维体积分数 1 刘。2 5 维机织复 合材料的强度公式n 2 叫引为 仃k = V f 盯f + y 盯m = H 盯f + ( 1 一V f ) 仃。( 6 ) 口f :n r a y A l y c o s o b ( 7 ) f 式中:O t t o 表示2 5 维机织复合材料的强度;口,为2 5 维机织复合材料的织物强度;盯
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- 机织 复合材料 几何 结构 模型 验证
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