【正文】 模量；壓縮強(qiáng)度、模量對比分析，得出：（1）各種切邊方法對力學(xué)性能的影響： 在四種切邊方法中，在寬度為20mm左右的時(shí)候，窄邊切割的三維編織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量和未切割試件的基本相同，壓縮強(qiáng)度也基本不受切邊的影響，而壓縮模量下降了20%左右；在厚度為6mm左右的時(shí)候，寬邊切割試件的力學(xué)性能包括拉伸、壓縮強(qiáng)度與模量受切邊影響最大；寬邊兩邊同時(shí)切割的試件的力學(xué)性能下降最大。切邊后的試件拉伸、壓縮的強(qiáng)度和模量的變化趨勢仍然是隨著編織角的增加而降低。 三維全五向編織結(jié)構(gòu)三維五向編織結(jié)構(gòu)是在基本的三維四向編織結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在編織過程中引入沿著編織成型方向不動(dòng)的紗線而形成的一種新的整體編織結(jié)構(gòu)的，： （a） （b）圖 三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單胞模型（a）三維四向編織結(jié)構(gòu)；（b）三維五向編制結(jié)構(gòu) 三維五向編織復(fù)合材料中仍剩下較多的編織空隙無軸紗占據(jù)，復(fù)合時(shí)承力較弱的樹脂易在空隙處富集，限制了三維五向編織材料的纖維體積分?jǐn)?shù)和縱向力學(xué)性能的大幅度提高，因此劉振國老師等人提出了可在所有編織空隙中加入第五向紗以最大程度提高編織物纖維體積分?jǐn)?shù)和縱向力學(xué)性能的編織方法，而編織出來的是預(yù)制件即為三維全五向編織物。由于試件是以前老師們做過實(shí)驗(yàn)而剩下的試件，所以不能系統(tǒng)的編號(hào)，沿用試件上的編號(hào)。） （%） AL66 20 50 AL65 20 50 未切割 AL74 30 50 AL86 40 50 AL83 40 50 AL45 50 50 寬邊一邊切2mm左右 ALK82 40 50 ALK84 40 50 寬邊兩邊，每邊各切1mm ALKK61 20 50 ALKK64 20 50 窄邊兩邊各切1mm ALZZ71 30 50 ALZZ72 30 50 寬邊切2mm，窄邊切1mm ALKZ43 50 50 。3切邊工藝對三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響3. 1四步法三維編織工藝 三維編織預(yù)制件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由編織工藝決定，四步法編織工藝過程如圖31所示。在編織過程中每根編織紗按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而相互交織形成一個(gè)不分層的三維整體結(jié)構(gòu)。其中，h為花節(jié)長度，WS為花節(jié)寬度，α為編織角，θ為表面取向角。預(yù)制件中編織紗線的總根數(shù)N為[45]： N = mn + m + n編織物的結(jié)構(gòu)受諸多因素的影響，為了便于分析三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立以下幾點(diǎn)假設(shè): (1)紗線的橫截面為一等效橢圓形，其長短軸分別為a, b，紗線延長度方向是均勻的。 (3)編織紗線具有相同的細(xì)度和柔韌性。 (5)在編織物內(nèi)部，在不受其他紗線阻擋的部分，紗線在其張力作用下呈直線狀態(tài)。 四步法編織工圖 四步法編織物的外表面在連續(xù)的編織過程中，每一個(gè)攜紗器攜帶編織紗線在機(jī)器底盤上沿著固定的折線軌道，穿越內(nèi)部，遍歷所有邊界，經(jīng)過若干步后回到起始位置。這樣可將攜紗器分為若干組G。是沿厚度和寬度兩個(gè)方向同時(shí)切割的，可以看到，編織紗線被切斷，其完整的運(yùn)動(dòng)軌跡被破壞。的三維編織復(fù)合材料切邊前后表面差異圖。根據(jù)攜紗器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別定義了三個(gè)區(qū)域的控制體積單元:內(nèi)部區(qū)域、表面區(qū)域和棱角區(qū)域。在每一個(gè)機(jī)器循環(huán)中，相鄰的行(或列)的運(yùn)動(dòng)方向相反，而相間的行(或列)的運(yùn)動(dòng)方向相同，導(dǎo)致了預(yù)制件內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重復(fù)性。陳利[46]和R. Pandey都對此進(jìn)行了分析，得出在編制結(jié)構(gòu)中內(nèi)部區(qū)域占主導(dǎo)地位，并隨著編織紗線行列數(shù)增加而增大。 內(nèi)部單胞模型，粗實(shí)線為編織紗線的運(yùn)動(dòng)軌跡。由內(nèi)部單胞模型圖和基本假設(shè)可以得到內(nèi)部單胞的基本尺寸:內(nèi)部單胞的寬度:Wi =4b/sin (34)內(nèi)部單胞的厚度:Ti=4b/cos (35)內(nèi)部編織角為:tg= 8b/hsin2 (36)式中:b—紗線短軸。h—編織花節(jié)長度。三維編織復(fù)合材料表面單胞為一六面體，每個(gè)面單胞內(nèi)含有四根紗線。 表面單胞模型實(shí)際中，表面區(qū)域的編織紗線應(yīng)為空間曲線，在這里用直線主要為了簡化模型。表面單胞的取向平行于預(yù)制件的表面，且高為一個(gè)編織花節(jié)長度h。 由表面單胞的厚度公式38可知本試驗(yàn)切割方法已將表面紗線和棱角區(qū)域的紗線全部切割掉。紗線ABCDEFGH在從邊界運(yùn)動(dòng)到內(nèi)部區(qū)域的過程中，邊界的部分ABCDE被切斷，同樣，紗線IJKLMNOP在從內(nèi)部區(qū)域向邊界運(yùn)動(dòng)的過程中，從切割面斷開。 切割前的單胞模型 切割后的單胞模型紗線在預(yù)制件內(nèi)本是一根連續(xù)的不間斷的整體，經(jīng)過切邊后，紗線被切斷，破壞了其連續(xù)性，被切割紗線在預(yù)制件內(nèi)部的長度的大小與其性能產(chǎn)生影響的大小有關(guān)，所以研究切邊后紗線在預(yù)制件內(nèi)的長度是很有必要的。 紗線運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖 ，寬邊切割的試件，假設(shè)邊紗及主體紗的第一行已被切割掉，在試件足夠?qū)挼那闆r下，跟蹤主體紗的第二行的紗線，由點(diǎn)1開始在預(yù)制件內(nèi)運(yùn)動(dòng)，回到原切割面即主體紗第二行()，所需經(jīng)過的步數(shù)X1為: X1=4 x (n1)1 (311) 窄邊雙邊切割的三維編織復(fù)合材料，切割面上的一根紗線由點(diǎn)2開始運(yùn)動(dòng)，穿越試件內(nèi)部，經(jīng)過若干步后達(dá)到另一切割面()，其經(jīng)過的步數(shù)X2為: X2=2 x (m3) +Y (312)其中，Y—為經(jīng)過邊紗所需的步數(shù)。斷邊紗線在預(yù)制件內(nèi)經(jīng)過的長度L，為: L1=X1 h/(4cos) (315) 窄邊雙邊切割的三維編織復(fù)合材料，斷邊紗線(試件足夠厚時(shí))在預(yù)制件內(nèi)經(jīng)過的長度L3為: L3=X3h/(4cos) (316) 窄邊一邊切割的試件，當(dāng)試件足夠厚時(shí)，其斷邊紗線在預(yù)制件內(nèi)的長度L4為: L4=X4h/(4cos) (317)其中m—攜紗器在機(jī)器底盤上排列的主體紗的行數(shù)。 h—花節(jié)長度。 由公式(311)、(314)、 (315)和(317)可以看出，當(dāng)m值與n值相同時(shí)，可以認(rèn)為X1=X4，L1=L4，即當(dāng)厚度與寬度都足夠大，寬邊切割與窄邊切割受切割紗線由切割面經(jīng)過運(yùn)動(dòng)又回到原切割面所經(jīng)過的步數(shù)是基本相同的，被割斷紗線在預(yù)制件內(nèi)的長度也基本相同。所以由以上分析可以得出，當(dāng)厚度足夠大時(shí)，三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能也基本不受寬邊切割的影響。當(dāng)三維編織復(fù)合材料厚度與寬度都足夠大時(shí)，沿寬度方向切割與沿厚度方向切割邊紗對其力學(xué)性能基本不產(chǎn)生影響，可以對試件進(jìn)行一定程度的加工。 切割紗線長度 編織角（176。而窄邊切割的試件內(nèi)的被切斷紗線在預(yù)制件內(nèi)運(yùn)動(dòng)的長度L4大，拉伸時(shí)，纖維不易拔出，故力學(xué)性能基本不受影響。它的破壞基本形式包括基體開裂、界面脫粘、分層和纖維斷裂等。在外力超過其極限強(qiáng)度時(shí)，最先破壞總是發(fā)生在界面。 由單向纖維沿不同方向鋪設(shè)而成的具有各向異性性能復(fù)合材料層合板在外載作用下，一種典型的損傷破壞方式是不同的兩層之間產(chǎn)生脫層，而由于層間脫膠導(dǎo)致復(fù)合材料層合板的剛度和強(qiáng)度性能大大地降低。三維編織復(fù)合材料的宏觀性能主要取決于纖維的編織結(jié)構(gòu)，纖維束與基體材料的類型，纖維束與基體之間界面的狀態(tài)等因素。而隨著編織角的增大，應(yīng)力一應(yīng)變曲線表現(xiàn)處非線性。切邊后的三維編織復(fù)合材料的應(yīng)力一應(yīng)變趨勢同未切割試件相似。材料破壞時(shí)，纖維為脆性斷裂，纖維間的基體存在很大的塑性變形。，可以看到，拉伸使未切割面的纖維束被拉斷，斷裂表面沒有發(fā)現(xiàn)纖維抽拔現(xiàn)象。 切邊試件的破壞模式(SLK202 ) 壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線，可以看出，當(dāng)編織角較小時(shí)，軸向壓縮的應(yīng)力一應(yīng)變曲線基本上是線性的，隨變形的增加，載荷持續(xù)增加，直到接近試驗(yàn)機(jī)的極限承載能力，SY202和SYK201 ( 20176。這說明編織角較小時(shí)，編織復(fù)合材料的軸向承載能力較強(qiáng)，材料的破壞屬于脆性的。)存在明顯的屈服點(diǎn)和非線性變化階段。若繼續(xù)壓縮，則可以達(dá)到更大的變形。) b SY35 (35176。和35176。的三維編織復(fù)合材料的表面基體出現(xiàn)裂縫，屬于脆性破壞，35176。在編織角較大的情況下，纖維束受力較小，基體承力較大，纖維束交界處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此時(shí)基體會(huì)開裂。因此，當(dāng)載荷達(dá)到一定水平后，纖維束與基體的粘接被破壞，界面發(fā)生脫膠分離，壓縮試件隨基體與纖維束的剝離而呈現(xiàn)網(wǎng)格狀突起，橫向的膨脹使材料變得松散，從而導(dǎo)致承載能力不斷下降，但此時(shí)纖維束結(jié)構(gòu)基本上還保持完整。和35176。時(shí)，試件有較大變形，但是不斷裂，由于切割面纖維的整體性產(chǎn)生破壞，承載力弱，所以受壓時(shí)產(chǎn)生彎曲，出現(xiàn)微小弧形并且向受切割面彎曲()。在纖維體積含量基本相同的情況下，編織角越大，復(fù)合材料的拉伸、壓縮強(qiáng)度和模量越小。而編織角越大，其應(yīng)力一應(yīng)變越表現(xiàn)出非線性。 切邊后的三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能有了一定程度的下降。這表明當(dāng)試件寬度達(dá)到一定值時(shí)，窄邊切割試件不會(huì)影響此材料的性能。(3)寬邊兩邊同時(shí)切割的試件受切邊影響最大對于相似編織角及纖維體積含量試件，三維全五向編織復(fù)合材料由于軸向紗的作用，縱向拉伸強(qiáng)度比三維四向編織復(fù)合材料高很多，能夠承載更大的拉伸載荷。通過對三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析，試件被切割后，纖維束被切斷，纖維束在預(yù)制件中的連續(xù)性被破壞。所以當(dāng)厚度和寬度足夠大時(shí)，切割邊紗基本不影響三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能。 致謝本文是在導(dǎo)師劉振國老師和衛(wèi)宇晨師兄的精心指導(dǎo)和大力幫助下完成的，在此表示衷心的感謝和深深的敬意。他不但在學(xué)習(xí)上給予我耐心的指導(dǎo)與幫助，也非常關(guān)心我們的生活，讓我感受到了家庭般的溫暖。真心感謝母校北航給我這次自主設(shè)計(jì)并且完成課題的的機(jī)會(huì)，我從中學(xué)到很多東西，對將來我步入社會(huì)有著極其重要的作用。Pearce, Inc[4] McConnell R.amp。.G. 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