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大学毕设英语翻译

单位代码10006

学号38050329

分类号TB332

毕业设计（译文）

编织复合材料切边后的力学性能试验

学院名称

航空科学与工程学院

专业名称

飞行器设计与工程

学生姓名

指导教师

2012年6月

版权⑧1997，美国航空航天学会公司

AIAA-97-1404

三维编织复合材料更多的纤维结构

SoheilMohajerjasbi*

波音防务和航天集团

直升机公司

费城，宾夕法尼

摘要

本文主要讲三维编织纤维结构的展现。

主要考虑和提出的是编织工艺的预制（型）和从复合材料不同地方消减下来的部分。

本“类型”和“型”的内部细胞，这是确定以前，用于构建这些交叉部分的，这些曾被证明过的“A型”和“B型的“内部胞体结构用来构建这些交叉截面。

在复合材料内部、边限和角的不同的纱线取向组合也会展示出来，由纤维结构的这些差异导致不同的刚度特性,预计也会影响复合材料的力学性能。

在边界和角不同的纤维结构相对影响用两种简单方法评估。

这个评估显示,对于这个目前生产的三维编织成型件,边界和角落的影响可能不可以忽略不计。

它也表明,预制块角的纤维结构取决于编织机器纱线的数目和排列。

最后,三维编织件不同截面的照片也提供了纤维结构的比较和验证。

介绍

我们对复合材料三维编织方法的纤维结构和力学性能是感兴趣的,因为它可能降低生产成本。

降低成本是设想在自动化、利用纤维和矩阵在他们的最低成本的形式,并且这个过程的生产能力接近钣制带轮复合材料零件。

此外,比起传统的复合材料层合板,三维编织复合材料具有优良的分层电阻、能量吸收能力。

对纤维结构的正确理解和陈述主要用于发展中的模型分析,预测这些复合材料的刚度和强度,发展中设计的指导方针。

由于预制件的三维整体性，三维编织复合材料的纤维结构不同于,且更复杂的,比传统的复合材料层合板。

传统上,三维编织复合材料已被理想化的作为一个带线条的立方体“单元”的形式,纱线代表了胞体对角的连接。

然而,更多最近的研究已经表明[1]，三维编织复合材料是由在胞体内部、边界、角不同纤维结构组成。

同时三维编织复合材料的纤维结构的描述和表示也预示着新的挑战一些挑战。

首先,三维编织复合材料是这样的一种产品，其制造工艺需要理解为已洞察其产品的形式。

事实上,编织机的运动将会确定复合材料的纤维结构,任何试图定义脱离了编织机的运作的纤维结构将不会是有意义的。

第二,很难呈现三维编织复合材料的在两维平面的三维结构。

第三,复合材料的纤维结构需要呈现的方式,是促进它的实验验证。

为了使纤维架构更容易理解,或许能够实验验证,这里一种演示方法被采用,即使用已被认定的“微观组织“作为构建模块来揭示了宏观尺度的纤维结构。

此论文，对三维编织复合材料的纤维结构进行简短的论述，三维编织复合材料是先前提到的编织机运动作为依据的为“A型”和“B型的“内部胞体。

然后，预制件的纤维结构显示在复合材料不同区域剪切下来提供的更细节的部分。

“A型”和“B型的“内部胞体是用来构建这些截面。

在胞体内部、界限和角不同纱线方向指出这些截面的观点。

它也表明,预制件角的纤维结构可能取决于编织机纱线运动的数目和排列。

最后,编织试样界面的照片提供了比较和验证。

纤维结构

术语中，纤维结构是指在预制件的纱线结构,在本文的上下文中,是一种被称为三维笛卡尔编织的纺织制造工艺的产品。

一个编织机的示意图是如图1所示。

在这个过程中纱线（纤维束）装载在排成几行几列且类似预制件形状机床（XY平面）上来生产。

纱线的两端被绑定到一个编织机上可移动的板块上。

机器上纱线携带器是按着一个制定的方式运动,结果是预制件在生产机器生产。

为了进行演示,这里考虑一个（1x1）的编织工艺。

在这个过程中,纱线携带器在机器运动X方向和Y方向每一步上被携带器带着运动。

这个编织过程也称为四步法,即每四个机器步骤之后又有一个恒定的四步。

三维笛卡尔编织机的操作更详细地解释在文献[2]。

一个制造的预制件,是由一个材料矩阵获取的编织复合材料，用四步法生产的编织复合材料的纱线结构被称为一个“重复单位”。

后续的任何机器操作都是是重复着四个步骤,之后用这四步法将生产完全相同的纱线结构。

一由（1x1）编织操作且按着10X10纱线排列携带器机床生产的方形的编织复合材料的示意图,指定为[10x10],如图2所示,三个“重复单元”如示意图所示。

在编织机操作和纱线携带器运动的基础上,如文献[2]所示,一种简单的方式展示了复合材料胞体内部纱线结构，表示为一个重复的“a型”和“B型”细胞。

这两种细胞类型则显示为不同的阴影,如图2中所示。

在复合材料的胞体内部,这两种类型的细胞在与Z轴45°和135°测量值间交替出现。

预制件顶部视图再次表现在图3（a）所示，其胞体内部是表现在“A型”和“B型”细胞。

也显示在图3（b），是一个预制件的剖视视图用来显示两种胞体类型沿着长度方向的排列。

可以看到,“A型”和“B型”细胞也沿编织预制件轴（z轴）替代。

而且,通过编织机运作的验证中指出,每个纱线从胞体内部进入边界和距离一个花节高（h）的变化方向,再次进入胞体内部。

类似地,每个纱线从胞体内部进入角,改变方向,在花节距离3h/2处再次进入胞体内部。

因此,边界和角的纤维结构是不同与胞体内部的。

复合材料边界和角的不同纱线结构在图2和图3分别用不同的阴影表示出来。

如图4所示,“A型”和“B型”立方体胞体结构,代表矩阵材料、里面纱线线段用他们的中心线作为直线。

胞体内纱线中心线和预制件z轴的夹角称为"胞内编织角”γ。

同时图4也显示了“A型”和“B型”胞体与三个平行于立方体顶部和侧面平行面的交点。

这些截面如同是显示的胞体角的编号;例如,截面1、2、6、5与有1、2、6和5的角的面一致的。

截面5、6、7、8平行xy平面,而横截面1、2、6、5与x轴成135°，截面2、3、7、6与x轴成45°。

被假象为圆筒的截面,也显示在这些剖切面。

这仅仅是一个理想化的,根据在预制件内部临近纱线的影响,实际纱线的截面沿其长度可能会有所不同。

上面关于纤维结构的信息是由编织机上纤维携带器的运动推导得出的。

接下来,这个信息是用来构建视平行于xy平面平行,和平行于与x轴分别成45°和135°的平面的视图。

这是在如图4的两种胞体类型的截面完成的。

同时,在本文的后面，为了验证这些截面构建,一个编制标本被沿着相似平面切割，图片是用来比较的。

一个平行于xy平面的编织复合材料的截面如图5所示。

图3（a）和图4“A型”和“B型”的角为5、6、7、8的截面是用来构建这个横截面。

注意,只有内部纱线截面的显示。

此外,由于（如图3）沿着z轴类型A和类型B胞体交替出现,截面平行于xy平面，在低于或高于h/2截面处将略有不同,如下所述。

从图4可以看出，xy平面的交叉点和“A型”和“B型”胞体（截面角是5、6、7、8）是倾向于椭圆,其代表在xy平面圆形纱线的交叉点。

现在,为了显示复合材料内部截面，我们考虑与x轴成450角的1-1截面，如图3所示。

“A型”和“B型”胞体在这个截面的排列如图6（a）所示,利用截面角为2、3、7、6如图4,、复合材料1-1部分如图6（b）所示。

同样,在图3（a）与x轴成135°的2-2部分，可以构建如图7（b）所示。

应该指出的是,如果1-1部分在如图3（a）所示的当前位置被拿掉半个的单元宽度,从而切断中间的“A型”和“B型”胞体,每个细胞第二个纱线将会变得越来越清晰1-1部分会相同,如图7（B）所示。

类似地,如果2-2部分被拿走半个单元格宽度的一半距离目前的位置如图3所示（a）,横2-2部分会相同，如图6（b）所示。

图6（b）和7（b）表明,复合材料内部纱线与z轴成γ角,且贯穿整个预制件的而不改变方向。

为了显示复合材料边界截面,我们考虑3-3部分，如图3（a）所示。

从图3（a）我们可以看出,在3-3部分三个胞体是直接在剖面线前面,其他两个内部胞体。

一个各在一边，是相互远离的。

在这部分内部胞体的排列如图8（a）所示。

两边内部的胞体,更加远离剖面线,则显示为虚线且没有任何阴影。

外部虚线与实线之间的空间为边界胞体。

在这里第一个需要提出的是胞体内部的纱线线段,这可能有助于设想矩阵材料较明显,胞体截面如图4所示,第二个是纱线线段前段是可见的。

边界胞体内部纱线和纤维结构如图8（b）所示。

可以看到,每个纱线从内部进入边界和距离一个花节高（h）后改变方向,再次进入内部。

在图8（b）指出,边界和z轴纱线间的角度β是小于内部编织角γ的。

这意味着在z方向（即沿着预制件长度）边界有更大的刚度较之内部。

“内部编织角”γ不能直接测量,因为它代表了在预制件内部的纱线方向。

不过,它可以从三个参数,u、v、w计算，三个参数可能从编织复合材料的表面测量。

图9显示了预制件的一个表面视图，且定义了参数u和w。

v参数的测量类似于u,但从编织复合材料的其他表面（平行于y轴）。

在图9中所示表面纱线位于一个断开位置作为演示位置,而纱线表面的编织部分是紧密的,习惯于称为“拥挤”。

u、v、w之间的关系,表面角θ,和“内部编织角”γ可以被表述为:

为了显示复合材料角处的角截面,考虑如图3（a）4-4部分。

从图3（a）可以看出,在4-4部分的一个内部胞体在剖面线前面，两个其他的胞体各在两边，是远离的。

在剖面线前面内部和外部胞体之间的空间代表边界胞体。

在这个部分胞体内部的排列如图10（a）所示。

而且，另一边内部胞体表示为虚线。

复合材料角的视图如图（10）所示。

图4截面角为1,2,6,5的截面和图10（a）用来构建这个视图。

剖面线前面胞体内部的纱线线段表现在截面上，即内部编织角γ。

可以看出，每个纱线都是从内部进入角，在3h/2处改变方向，然后又再进入内部。

从图10中，角与z轴纱线夹角η是小于内部编织角γ的。

目前为止从三维编织预制件的几何形状所示,可以看到与z轴比较,内部和纱线倾角比边界的小，倾斜角度的纱线在角落里的要小一些的边界,这反过来就是倾角小的纱线在内部。

这意味着在z轴方向角比边界有更大的刚度,这反过来就是边界的刚度比内部的大。

图11显示了预制件角的透视图,论证了一条纱线的路径从内部进入角，改变方向又进去到内部。

内部纤维结构已经给出，边界和角的是不同的，还剩下两个问题。

首先,是否这些不同是重要到可以复合材料的力学性能和第二个是,是否所有的三维编织复合材料将有一个类似图3（a）所示的“重复单元”。

最近,一些作者虽然承认上述的纤维结构差异,建议（没有任何推理或辩证）表面和角的对性能影响的贡献比预计将小。

下面两种方法考虑，来评估相对重要的边界和角。

第一种是基于内部纱线数与预制件总纱线数的比值。

对于一个[MxN]的预制件（M和M分别是机床上沿着X轴和Y轴的纱线携带器数），内部纱线数是MxN，而编织机纱线总数是（MxN）+（M+N）。

种类为[4x4],[6x6],[10x10]内部纱线总数对总纱线数比值分别为67%，75%，和83%。

另一个近似的评估相对重要的边界和角的是考虑内部胞体体积对于总“重复单元”体积的比值。

[4x4]、[6x6],[10x10]预制件的比率分别是63%、72%和82%。

可以看出当纱线数增加，则伴随着预制件尺寸的增加，这些比率将接近100%。

事实上,大约17%的一个[10x10]编织复合材料是由边界和角胞体组成,如上文所述比内部有较高的轴向刚度,因为更小的纱线角（图8（b）,和图10（b）,指出至少目前预制件尺寸大小产生边界和角的影响不会小。

此外,有证据在文献[3,4]报告，切边试件对没切边试件，力学性能有大幅度的减少。

至于第二个问题,对[MxN]类型的编织机纱线携带器的观察，表明“重复单位”的形式将类似于图3（a）所示[10x10]预制件，只要M和N都是偶数。

如果M或N或两者都是奇数,重复单元角的形式将会是不同的。

图12显示了[4x4],[4x5],[5×5]预制件的重复单元。

内部再次被等同于“A型”和“B型”细胞。

从图12（a）可以看出,[4x4）预制件有四个角胞类似于如图2和图3（a）所示的[10]预制件,但对于图12（b）所示[4x5]预制件,上面角胞是丢失的,两个边界胞体一起组成了预制件上面角。

同样,在图12（c）可以看出,[5×5]预制件在预制件右下方和左上方角胞是丢失的,两个边界细胞一起组成在这些位置的预制件角。

同样,取决于编织机纱线携带器的数目和排列的这些角纤维结构的差异更多原因在于，至少对于预制件尺寸大小的生产，角和边界的影响将不可忽视。

纤维结构的验证

为了验证截面结构,一个编制试件类似于平面被剪切以及，这些截面的照片是用来比较。

这个预制件试件在德雷克塞尔大学使用玻璃纱编制,并波音公司PR500树脂RTM固化。

这个预制件的制作胚是用半自动化机器生产，需要大量的手工劳动。

尽管一般外形和高质量的伪造预制件被判定为非常好,很明显,稍微的不一致，可使机器操作工在生产预制块过程中介绍。

其中图片中的一些轻微的是明显的。

下列的解释对于预制件的原理图可能是有帮助的,复合材料的坐标系统如图2和图3（a）所示。

一个平行于xy平面的试件截面,如图13所示。

在此试件的内部同样的模式类似截面视图如图5所示,有细微的差异。

这些差异的原因是前面描述图5后的解释。

同样,可以看出,在图13的内部模式不同于边缘和角。

这是由于不同的=边界和角的纤维结构，边角是先前解释的。

图14显示了一个图3（a）在1-1部分的编织试件内部的截面。

再次,图6（b）和图14相似之处是值得注意的。

图中内部纱线对z轴的倾角就是早些时候被定义为“内部编织角”r。

同样的,图部分显示了复合材料边界纱线。

可以看到,照片左边和右边纱线倾角不同于内部纱线。

图15显示了一个编织标本的截面,类似于图3中3-3部分,为了在边界的纱线。

当他们进入边界时改变纱线角度，在照片的另一面是明显的。

它指出,只有其中一个纱线在边界是可见的,而图8（b）两种纱线在边界显示。

一个试件角的截面,类似于图3（a）4-4部分,如图16所示。

可以看到,纱线的路径在角是相似如图10（b）和图11所示的。

如前所述,角和边界纤维结构的不同,预计也会影响复合材料的力学性能。

一个有限元模型建立,在内部边界角占了不同的比例,是此前提到和预测弹性常数[2]和热膨胀系数[5]被报道。

概要和结论

内部的纤维结构、边界和三维编织复合材料角已经证实了。

以前确定的“微观结构”是用来构建复合材料不同截面。

在内部、边界和角的不同纱线角的也有提出。

类似的三维编织标本截面的图片也提供了比较和验证了截面构造。

它也表明,预制件角纤维结构可能取决于预制块编织机纱线携带器的数目和排列。

不同的纤维结构在边界和角落,预计也会影响复合材料的力学性能,对目前生产三维编织成型件的范围,这些影响可能不可以忽略不计。

感谢

作者感谢德雷克塞尔大学A.S.D.教授王建民,在他的知道和监督下本文对编织预制件的描述得以完成。

引用文献

2-Mohajerjasbi,s.,卡壳的建模和分析三维笛卡尔编织复合材料包括轴纱线,”国立大学/ASME/ASCE/AHS技术/ASC第36结构、结构动力学、和材料会议（新奥尔良,洛杉矶）,国防科技大学,华盛顿特区,1995年,页。

8-16（国防科技论文95-1157年）。

3-Macander、a.b.,起重机,r.m.,Camponeschi、E。

t.Jr,“制造和力学性能的变化多维（X一D）编织复合材料材料、“复合材料:

测试和设计（第七次会议上）,ASTMSTP893,j·m·惠特尼,《美国社会检测和料,

费城,1986年,页422-443。

4-Gause,l·布什和阿尔伯把,j.m.,”的结构性质辫状石墨/环氧复合材料的论文复合材料Technology&Research,卷。

9日,第4号1987年冬天,页141一150。

5-Mohajerjasbi,s.,预测系数3-d编织复合材料的热膨胀,”国防科技大学学报/ASME/ASCE/AH技术/ASC第37结构、结构力学、材料会议（美国犹他州盐湖城的）,国防科技大学、华盛顿、华盛顿,1996年,页1812-1817（国防科技论文96-1531）。

Copyright⑧1997,AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Inc

AIAA-97-1404

MOREONTHEFIBERARCHITECTUREOF

3-DBRAIDEDCOMPOSITES

SoheilMohajerjasbi*

BoeingDefense&SpaceGroup

HelicoptersDivision

Philadelphia,Pennsylvania

Abstract

Inthispaper,thefiberarchitectureof3-Dbraidedcompositeisdemonstrated.Aperformproducedbythe（lxl）braidingprocessisconsideredandsectioncutsofdifferentareasofthecompositearepresented.The"TypeA"and"TypeB"interiorcells,whichwereidentifiedpreviously,areusedtoconstructthesecrosssections.Thedifferentyarnorientationsintheinterior,boundaries,andcornersofthecompositearealsoshown.Thesedifferencesinfiberarchitectureresultindifferentstiffnessproperties,andareexpectedtoaffectthemechanicalpropertiesofthecomposite.Therelativeinfluenceofdifferentfiberarchitecturesintheboundariesandcornersareevaluatedbytwosimplemethods.Thisevaluationsuggeststhat,fortherangeof3-Dbraidedperformpresentlyproduced,theeffectofboundariesandcornersmaynotbenegligible.Itisalsoshownthatthefiberarchitectureinthecornersofthepreformmayvarydependingonthenumberandarrangementofyarncarriersonthebraidingmachine.Finally,photographsofdifferentcrosssectionsofa3-Dbraidedspecimenareprovidedforcomparisonandverificationofthefiberarchitecture.

Introduction

Thefiberarchitectureandmechanicalpropertiesofcompositesfabricatedby3-Dbraidingprocessareofinterestbecauseoftheirpotentialforreducingmanufacturingcost.Thiscostreductionisenvisionedinautomation,useoffiberandmatrixintheirlowestcostform,andthecapabilityofthisprocesstoproducenear-net-shapecompositeparts.Inaddition,comparedwithconventionallaminatedcomposites,3-Dbraidedcompositeshavesuperiordelaminationresistance,andenergyabsorptioncapability.Acorrectunderstandingandrepresentationofthefiberarchitectureareessentialfordevelopinganalyticalmodelsforpredictionofstiffnessandstrengthofthesecomposites,andfordevelopingdesignguidelines.

Fiberarchitectureof3-Dbraidedcompositeisdifferentfrom,andmoreintricatethan,conventionallaminatedcompositesduetothethree-dimensionallyintegratednatureofthepreform.Traditionally,3-Dbraidedcompositehasbeenidealizedasa"unitcell"intheformofacuboidwithlines,whichrepresenttheyarns,connectingdiagonallybetweentheoppositecorners.However,morerecentresearch[1]hasshownthat3-Dbraidedcompositeiscomprisedofdifferentfiberarchitecturesintheinterior,boundaries,andthecorners.Thedescriptionandpresentationofthefiberarchitectureof3-Dbraidedcompositespresentafewchallenges,however.First,3-Dbraidedcompositeistheproductofafabricationprocesswhichneedstobeunderstoodinordertogaininsightintotheformofitsproduct.Infact,themovementsassociatedwiththebraidingmachinewilldeterminethefiberarchitectureofthecomposite,andanyattempttodefinet