三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理.pdf
《三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、通过真空辅助树脂传递模塑成型技术,制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织 3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹,分别开展了准静态轴向压缩试验,研究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、破坏模式及吸能性能的影响。结果表明:不同编织结构圆管的轴向承载能力和破坏机制存在显著差异。三维多层缠绕编织圆管的环向纱体积含量较高,能有效承担轴向载荷,其轴向承载能力明显高于其余两类编织圆管。但由于纤维间载荷传递性能较弱,易发生脆性破坏,导致吸能效果最差。而三维五向面芯编织和三维七向编织圆管具有紧密交织的纱线结构,径向编织纱能有效限制剪切裂纹扩展,从而引
2、发渐进稳定的开花式破坏,此类破坏具有较好的吸能特性。三维五向面芯编织圆管纤维断裂更加充分,吸能效果最为优异。关键词:编织复合材料;圆管;压缩试验;破坏模式;吸能特性中图分类号:TB332 文献标志码:A 文章编号:10052615(2023)04070209Axial Compressive Properties and Failure Mechanism of 3D Braided Composite TubeXIONG Xinfa1,WANG Xiaopei2,WANG Kun1,PENG Jinfeng1,CAI Deng an1,ZHOU Guangming1(1.State Key
3、Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China;2.The 60th Research Institute of General Staff Department of PLA,Nanjing 210016,China)Abstract:Three-dimensional(3D)braided composite tubes,including 3D multi-layer br
4、aided,3D five-directional surface-core braided,and 3D seven-directional braided tubes,were fabricated by vacuum assisted resin transfer molding.The yarn traces of the 3D braided composite tubes were systematically analyzed.The quasistatic axial compression tests were carried out to investigate the e
5、ffects of different braiding processes on the compression bearing capacity,failure mode and energy absorption performance of threedimensional braided composite tubes.The results showed that the axial bearing capacity and failure mechanism of circular tubes with different braided structures were sign
6、ificantly different.3D multilayer braided tubes maintained a high volume content of circumferential yarn,which can effectively bear the axial load,making its axial bearing capacity significantly higher than the other two types of braided circular tubes.However,due to the weak load transfer performan
7、ce between fibers,brittle failure was easy to occur,resulting in the worst energy absorption effect.3D fivedirectional surfacecore braided and 3D sevendirectional braided tubes had closely DOI:10.16356/j.10052615.2023.04.016基金项目:国家自然科学基金(52005256);江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目(BK20190394);中央高校基本科研业务费专项资金资助(
8、NS2019001);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。收稿日期:20220829;修订日期:20221017通信作者:周光明,男,博士,教授,博士生导师,E-mail:。引用格式:熊信发,王校培,王坤,等.三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理 J.南京航空航天大学学报,2023,55(4):702710.XIONG Xinfa,WANG Xiaopei,WANG Kun,et al.Axial compressive properties and failure mechanism of 3D braided composite tube J.Journal of Nanj
9、ing University of Aeronautics&Astronautics,2023,55(4):702710.第 4 期熊信发,等:三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理interwoven yarn structures,and the radial braided yarn can effectively limit the shear crack growth,thus leading to gradual and stable flowering failure.Such failure had better energy absorption characte
10、ristics.The fiber of the 3D fivedirectional surfacecore braided tube broke more fully,and the energy absorption effect was the most excellent.Key words:braided composite;tube;compression test;failure mode;energy absorption characteristic随着纺织技术的迅速发展,三维编织复合材料以其轻质、比模量大、比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等特点,广泛运用于航空航天、交通运输、船舶
11、、体育等领域12。与传统层合、缠绕等二维复合材料相比,编织复合材料在厚度方向增加了纱线,形成整体网状结构,具有可设计性强、高断裂韧性、高抗损伤容限等优点34。复合材料管状结构是复合材料在工程应用中常见的结构形式之一,一般通过缠绕、拉挤、卷管等工艺制备得到,具有轻质、高强、稳定性好等优点,近年来受到国内外学者广泛关注。Huang 等5通过试验与数值仿真对层合复合材料圆管在轴向压缩载荷作用下的压溃响应和失效机理进行了详细研究,研究发现层合复合材料圆管的破坏形式为渐进式的分层破坏,能量吸收方式主要通过纤维断裂以及界面脱粘。可见,层合复合材料圆管层间性能较差,在受到轴向压缩载荷时易发生分层破坏,极大影
12、响了结构承载和吸能能力。为了提高复合材料圆管的层间性能,人们把目光转向纺织复合材料。管状编织复合材料作为纺织复合材料中的一种典型的结构,主要包含二维和三维编织两类,其中二维编织主要分为双轴编织、三轴编织6。三维编织得益于其独特的可设计性,有着更为丰富的结构形式,其中就包含三维体心编织、三维面芯编织、多层缠绕编织等79。编织复合材料圆管除具有轻质、力学性能优越等上述诸多优点外,还拥有很强的能量吸收能力,在车辆、航空等结构耐撞性设计中表现出巨大应用潜力10。目前,国内外学者对编织圆管的力学性能展开了深入研究。Calme 等11对三维编织复合材料圆管横向压缩载荷作用下的失效机理进行了详细研究,研究发
13、现三维编织结构有效避免了圆管在横向压缩下的分层行为,提高了能量吸收率。Chiu 等12通过试验研究了三维编织复合材料管的编织参数对轴向压缩性能及破坏模式的影响,并指出轴向纱线控制结构能量吸收,而编织纱线决定了破坏模式。张平等13系统研究了二维三轴编织复合材料圆管的失效机制和能量吸收特性,发现编织圆管在压缩载荷下的破坏模式主要分为分瓣破坏、局部屈曲、块状断裂和突发破坏四类,且发现在相同的纤维体积含量下,增加编织层数或减小编织角能提高结构的吸能效率。沈怀荣等14通过试验对比分析了三维四向编织和三维五向编织复合材料圆管的压缩力学性能,研究发现三维五向编织圆管相比三维四向编织圆管,其在编织过程中插入了
14、轴向纱线,因此具有较高的轴向承载能力。马小菲等15通过玻璃/芳纶混杂纤维复合材料圆管轴向压缩试验,分析了编织参数和纤维混杂比对圆管压缩性能影响。Zhou 等1617研究了三维编织复合材料圆管的横向冲击响应,基于全尺寸细观结构有限元模型,预测了结构的横向冲击力学性能及破坏过程,分析了三维编织复合材料圆管的横向冲击变形和细观损伤机理。谷元慧等18通过试验对比分析了二维编织圆管与三维四向编织圆管轴向压缩力学性能,结果显示:三维编织圆管具有更优异的轴向承载能力,而二维编织圆管具有较好的吸能特性。Gideon等19建立了三维四向编织复合材料圆管内、中、外三单胞有限元模型,预测了三维编织复合材料圆管的压缩
15、力学性能,指出了内、外单胞对整体结构轴向压缩性能和失效机理有着显著影响,探讨了编织参数对编织圆管压缩行为的影响,并通过试验验证了模型的准确性。McGregor等2021基于连续性损伤力学模型对不同截面的编织圆管开展了轴向压溃数值模拟研究,预测了圆管在压溃载荷下的损伤机理和失效模式,定量计算出不同损伤机理下的能量吸收率。上述研究表明,编织复合材料的轴向压缩力学性能及其破坏模式依赖于所使用的纤维材料和纤维结构,基于不同编织结构引起的压缩破坏形式有显著差异,而结构的破坏形式决定了其吸能特性。三维五向面芯编织复合材料圆管和三维多层缠绕编织作为两种新型编织工艺,其在复合材料圆管上的应用还处于起步阶段,国
16、内外研究更是鲜有报道。本文通过真空辅助树脂传递成型(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)技术,制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织、三维七向编织 3 类编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料管的纱线轨迹,并开展准静态轴向压缩试验,探究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、压缩破坏机理和吸能性能的影响,为扩展材料应用前景、发挥材料性能优势提供有效指导。703第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报1 三维编织复合材料圆管轴向压缩试验1.1编织过程本文研究了 3 种不同编织工艺的复合材料圆管,包 含 三 维 五 向
17、 面 芯 编 织 复 合 材 料 圆 管(3D surfacecore fivedirectional braided composite tubes,3DST)、三维多层缠绕编织复合材料圆管(3D multilayer braided composite tubes,3DMT)以及 三 维 七 向 编 织 复 合 材 料 圆 管(3D sevendirectional braided composite tubes,3D7DT)。所有编织圆管均采用四步法编织工艺编织而成。如图 1 所示,在管状编织中,所有纱线均由携纱器携带,且以径向和周向排列形式按预制件截面形状分布于机底盘上,编织时控制携纱
18、器在编织机底盘上的运动路径,每次循环后经过打紧工序将纱线编织于管芯轴上最终形成织物。图 2 为三维五向面芯编织圆管的携纱器平面运动规律图和预制件表面形貌图。在编织过程中,环向携纱器沿周向运动,相邻环向携纱器运动方向相反;径向携纱器沿径向运动,相邻径向携纱器运动方向相反,当达到边界时,径向纱移动至相邻列。如图 2(a)所示,经过四步编织后,环携纱器 A沿周向运动至 E,而相邻携纱器 A1沿相反周向运动至 E1;径向携纱器 F经过两步编织后到达边界 H位置,再经过两步编织后到达携纱器 J 位置;轴向携纱器始终固定在原位置。蓝色线条表示环向编制纱线运动轨迹在平面内的投影,在编织方向上呈螺旋上升;紫色
19、线条为径向编织纱的平面运动轨迹,其围绕着一列环向纱螺旋上升,将环向纱包裹形成若干沿圆周分布的子块,这也是“面芯”的由来。如图 2(b)所示,在编织预制件的表面可以看到两种纱线,即环向纱和径向纱,轴向纱线被编织纱线包裹。图 3 为三维多层缠绕编织圆管的携纱器平面运动规律图和预制件表面形貌图。在编织过程中,环向纱和轴向纱的携纱器运动规律与三维五向面芯编织结构中环向纱运动规律相同。不同之处在于,径向纱只进行径向运动,相邻列运动方向相反,当径向纱运动至内外边界时以向上绕过纬纱(绿色纱线)的方式进入下一层。如图 3(a)所示,径向纱携纱器在第二步时由 F 移动到 G,绕过边界的纬纱后在第三步回到 F处,
20、其在平面内投影如紫色纱线所示。内外边界上的绿色纱线为纬纱,主要用于固定径向纱。在编织预制件的表面可以清楚地看到环向纱和径向纱,而纬纱则断断续续出现,如图 3(b)所示。图 4 为三维七向编织结构的携纱器平面运动规律图和预制件表面形貌图。编织过程中,进行第一步时,相邻编织纱携纱器沿相反径向运动,而轴向纱不动;第二步时,相邻编织纱和轴向纱沿相反方向周向运动;第三步和第四步与第一、第二步编织纱、轴向纱运动相反;同时在第二步和第三步径向纱(紫色纱线)插入相邻编织纱之间,在第一步和第四步环向纱(绿色纱线)插入相邻编织纱之间。如图 4(a)所示,编织携纱器经过四步后由 A运动到E,而轴向携纱器由 F 移动
21、到 G 后又回到原位。如图 4(b)所示,预制件表面可以清晰看到编织纱线、环向纱线、径向纱线,而轴向纱线被编织线包裹。图 1 管状编织复合材料编织过程示意图Fig.1 Schematic diagram of braiding process of tubular braided composites图 2 三维五向面芯编织圆管携纱器运动规律Fig.2 Motion rules of 3D fivedirectional surfacecore braided tube yarn carrier704第 4 期熊信发,等:三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理由上述编织过程可以看出,为了增
22、强各方向的承载能力,三维七向编织圆管在传统三维四向编织工艺的基础上增加了轴向、径向、纬向 3 个方向纱线,使得载荷传递更加均匀。但在编织过程中,单根编织纱线几乎遍历整个结构,在提高了层间性能的同时也存在相应局限性。由于较强的纤维连续性,局部纤维损坏可能会导致整个纤维结构遭到破坏,从而影响结构整体力学性能。相比之下,三维五向面芯编织以及三维多层缠绕编织这两类新型编织结构既具有和传统编织结构相同的优良层间性能,从上述编织过程可看出,它们独特的分块式纱线分布使得结构能有效抑制由局部纱线损伤引起的力学性能下降,具有较大应用潜力。1.2试样制备本次试验所用三维编织复合材料圆管预制件由南京玻璃纤维研究设计
23、院编织成型,预制件均由E 玻 璃 纤 维 编 织 而 成,复 合 成 型 的 基 体 采 用E51WSR618 型 环 氧 树 脂。预 制 件 的 尺 寸 为 高400 mm70 mm 内径78 mm 外径。预制件通过真 空 辅 助 树 脂 传 递 成 型(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)法浸润树脂后固化成型,图 5为复合材料圆管 VARTM 成型示意图。固化成型后将编织复合材料圆管切割成试样,试样如图 6所示,表 1列出了试样的参数。1.3试验方法准静态压缩试验在 MTS 810.25 万能试验机上进行。试验过程中参数设置如下:试验加
24、载速率为 3 mm/min,压缩行程为 35 mm。每种类型试样图 3 三维多层缠绕编织圆管携纱器运动规律Fig.3 Motion rules of 3D multilayer braided tube yarn carrier图 4 三维七向编织圆管携纱器运动规律Fig.4 Motion rules of 3D sevendirectional braided tube yarn carrier图 5 真空辅助树脂传递成型装置示意图Fig.5 Schematic diagram of vacuum assisted resin transfer molding device图 6 轴向压缩试
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 三维 编织 复合材料 圆管 轴向 压缩 性能 破坏 机理
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。