切边复合材料毕设论文.docx

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切边复合材料毕设论文

单位代码10006

学号38050329

分类号TB332

毕业设计（论文）

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

北京航空航天大学

本科生毕业设计（论文）任务书

Ⅰ、毕业设计（论文）题目：

编织复合材料切边后的力学性能试验

Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

1、拉伸试验试件:

260x20x6cm（长x高x宽）的长方体复合编织材料2、压缩试验试件:

40x20x6cm（长x高x宽）的长方体复合编织材料

3、依据试验方案，进行试件夹具设计与制作

4、基于试验结果对编织复合材料切边力学性能进行定性分析与定量评价

Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：

1、进行四向、五向、全五向编织复合材料切边力学性能试验方案设计

2、依据测量方案，进行试件夹具设计与制作

3、进行四向、五向、全五向编织复合材料切边力学性能试验

4、基于试验结果，对四向、五向、全五向编织复合材料切边力学性能进行

定性分析和定量评价

Ⅳ、主要参考资料：

纺织结构复合材料的力学性能吴德隆国防科技大学出版社1998年

ANewSchemeandMicrostructuralModelfor3DFull5-directionalBraidedComposites张帆刘振国等航空学报英文版2009年

三维五向编织复合材料的细观结构分析李典森陈利李嘉禄

航空科学与工程学院飞行器设计与工程专业类380503班

学生韦羽

毕业设计（论文）时间：

年月日至年月日

答辩时间：

年月日

成绩：

指导教师：

兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：

系（教研室）主任（签字）：

注：

任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。

本人声明

我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。

作者：

签字：

时间：

2012年6月

编织复合材料切边后的力学性能试验

学生：

指导老师：

摘要

三维编织复合材料是一种新型的复合材料，其结构合理，整体性好，异型件可一次编织成型，具有良好的综合力学性能。

但三维编织复合材料在恶劣的工作环境下，外表面不可避免得会发生损伤，破坏了其优势—整体性。

另外在工艺设计中，有些三维编织制件不得不进行必要的加工以形成所需要的形状，三维编织复合材料的这种损伤对它的力学性能会造成哪些影响，这是在复合材料设计上所关注的问题。

本论文通过比较切割后的三维编织复合材料与未切割试件力学性能的差异，系统地研究了切边对三维编织复合材料力学性能的影响，为三维编织复合材料的设计和应用提供理论基础。

本文对三维编织复合材料设计了四种不同的切割方法，对切割前后的试件的力学性能，包括拉伸、压缩强度和模量进行了研究分析。

然后对切割前后的细观结构进行了对比，并且得出了切边后切断纱线在预制件内的长度公式，最后对材料的损伤进行了分析。

关键词:

切边，三维编织复合材料，力学性能，细观结构

MechanicalPerformanceTestofBraidedCompositesCuttingEdge

Author:

Tutor:

Abstract

Threedimensionalbraidingcompositesisanewmaterial.Theintegratedfibernetworkprovidesstiffnessandstrengthinthethicknessdirection,thusnotheinter-laminarfailure,whichoftenoccursinconventionallaminatedcomposites.Themechanicalpropertiesofintegratedthreedimensionalbraidingcompositesareverygood,sotheareasofaviationandspacepayattentiontoit.

Sometimesthefiberandtheintegratedfibernetworkinthethreedimensionalbraidingcompositeswillbedamagedsinceitsworkingenvironmentisoftenveryabominableandthesurfaceiscutandablatedinevitably.Intheotherhand,somecompositeshavetobecutinordertomeetthefinalneed.Theeffectonthemechanicalpropertiesofthedamagemustbenoticedinthedesign.Thepaperstudiedtheeffectofcut-edgeonmechanicalpropertiesofthree-dimensionalbraidingcompositesbycomparingthecut-edgeanduncut-edgecomposites.Thestudywillprovidethetheoreticbaseforthedesignandapplicationofthreedimensionalbraidingcomposites.Inthispaper,thethreedimensionalbraidingcompositesarecutbyfourways,thestrengthandmodulusoftensile,compresspropertiesofthecut-edgeanduncut-edgeisstudied.Thentheunitcellsmodelofthecut-edgewithuncut-edgecompositeswerecompared.Andtheformulaofthelengthofthecutbraidingyarninthecompositeswasderived.Atlast,materialdamageisanalyzed.

Keywords:

Cut-edge,Three-dimensionalbraidingcomposites,Unitcellmodel

Mechanicalproperties

目录

1绪论1

1.1课题背景及目的1

1.2三维编织复合材料概述2

1.2.1三维编织复合材料3

1.2.2三维编织复合材料的制作工艺4

1.3三维编织复合材料的特性4

1.3.1三维编织复合材料的结构特性4

1.3.2三维编织复合材料的力学特性5

1.4国内外研究状况及相关领域已有的研究成果7

1.4.1国内外的研究现状7

1.4.2存在的问题7

1.5课题研究的内容8

2三维编织复合材料切边前后力学性能研究9

2.1三维四向编织复合材料力学试验9

2.1.1切割方法的设计9

2.1.2试件种类编号10

2.1.3试验准备10

2.1.4试件的制备12

2.1.5拉伸试验13

2.1.6压缩试验22

2.1.7节试验总结29

2.2三维全五向复合材料力学试验30

2.2.1三维全五向编织结构30

2.2.2三维全向编织工艺30

2.2.3试件编号30

2.2.4测试结果31

3切边工艺对三维编织复合材料细观结构的影响33

3.1四步法三维编织工艺33

3.2基本假设33

3.3切边工艺对三维编织复合材料细观结构的影响35

3.3.1编织纱线的面内运动规律35

3.3.2编织纱线的空间运动规律37

3.3.3切割后三维编织复合材料的空间运动规律39

3.4切边对预制件内纱线长度的影响40

3.5切边三维编织复合材料的破坏模式与分析42

3.5.1拉伸破坏模式及分析43

3.5.2压缩破坏模式及分析45

结论47

致谢49

参考文献50

1绪论

1.1课题背景及目的

20世纪以来，随着航空、航天、汽车、船舶、能源等工业的迅猛发展，对材料的性能要求日益提高和严格，如减轻重量、提高强度、降低成本等。

复合材料正是适应这一需求逐渐发展起来的。

复合材料是适应现代科学技术发展涌现出的具有极大生命力的材料，它是两种或两种以上的、性能不同的材料由人工构成的多相固体材料，它可以充分发挥单一组成材料的优点，克服其弱点，具有单一材料所无法比拟的优越的综合性能。

例如:

复合材料比强度高、比刚度高，且具有较好的抗疲劳性、减振性、高温性、易成型性等许多优点，以及一些特殊的声、电、磁等优良性能，而且可根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程结构的效能[1]。

迄今，复合材料己广泛用于航天、航空、汽车、船舶、建筑、能源、化工、医疗、运动器械以及生活用品等领域。

由于传统的复合材料在层与层之间没有增强纱线或纤维的联接，因而其几何特征和力学性能在一定程度上影响了产品的使用范围。

随着航天、航空技术的发展，传统的层合复合材料已不能完全满足某些产品对性能方面的迫切需求，如恶劣环境中高速飞行的航天器，其材料要具备轻质高强、防热、隔热等多功能[2]。

为了克服这些不足，在20世纪80年代初，国外成功研究了三维编织设备、三维异型整体编织技术和三维编织复合材料。

三维编织复合材料是指由纤维或纱线编织成的预成型件与基体材料复合而成的复合材料，它是三维编织技术和现代复合材料相结合的产物。

三维编织结构预成型件是具有多轴纤维取向高度整体化的连续集合体，从根本上克服了传统复合材料由于层间没有纱线通过而容易分层的弊病。

它的出现引起了各国科技界的高度重视，一些发达国家如美国、法国、德国、俄罗斯等都投入大量的人力和物力进行研究开发，尤其是美国航空航天局制定了六年的发展先进复合材料技术的ACT计划，投资1亿多美元来开发三维编织技术和自动化加工，以提高复合材料的强度和耐冲击性，并可实现一体成型。

以三维编织结构为增强相的复合材料其预制件可以一次编织成型，纤维贯穿材料的长、宽、高三个方向，形成一种三维整体网状结构[3-6]，相对于传统的层合板复合材料有很大的优越性。

首先，三维编织复合材料在厚度方向上提供了更大的刚度和强度;其次，它克服了传统的层合板复合材料易分层、开裂敏感和损伤扩展快，层间强度低，抗冲击损伤性能差的缺点;第三，三维编织复合材料拥有良好的可设计性、整体异型性及净尺寸制造等优点。

因而近年来受到工程界和学术界的极大关注，成为航空、航天等高科技领域的重要的材料，并在交通运输、电子工业、石油化工、建筑领域及体育用品和医疗器械等方面得到了应用[7-12]。

三维编织工艺具有很强的灵活性、适应性，可以巧妙地通过控制编织纱线的一端在机器底盘的运动，按照制件的形状和尺寸大小直接编织出所需的复合材料预制件，实现各种异型整体编织。

所以三维编织复合材料最显著的特点是具有良好的结构整体性，具有均衡的总体力学性能，但是由于三维编织复合材料制件的一些应用领域工作环境恶劣[13]，制件不可避免的会受到摩擦、磨损、烧蚀或切割，纤维就会产生损伤，整体性遭到破坏，这无疑会造成力学性能在一定程度上的削弱。

而且有些制件不得不采用对三维编织复合材料进行加工的方法以达到其复杂的形状，这也会给三维编织复合材料造成损伤。

这些损伤会对其性能造成哪些影响，这是在三维编织复合材料设计和应用中所必须明确的问题。

本文试图通过对三维编织复合材料细观结构的描述以及其力学性能的分析，来比较切割与未切割试件的力学性能的差异以及损伤对此种材料的影响，从而为三维编织复合材料制件的设计和应用提供依据。

1.2三维编织复合材料概述

1.2.1三维编织复合材料

三维编织技术是国外二十世纪八十年代初发展起来的高新纺织技术，是为适应航空航天部门对结构和多功能复合材料的需要而发展起来的一种将连续长纤维或纱线编织成三维织物或预制件的高新纺织技术。

在此预制件中，纤维束在三维空间中沿不同的方向取向并相互交织在一起，形成一个不分层的整体结构。

三维编织结构复合材料就是用三维整体的编织预成型件作为增强材料的复合材料。

其优良的结构，显著改善了复合材料的力学性能，从根本上克服了传统层合板易分层、厚度方向的强度和刚度性能低、面内剪切和层间剪切强度低、抗冲击性弱等弱点[14-19]，消除了传统复合材料方向上的受限性，具有良好的整体性，显示出了良好的综合力学性能，如优越的抗冲击性、抗烧蚀性，高的比强度、比模量等，并且具有明显的性能可设计性，是制作结构件的理想材料，因此受到航天、航空等部门的高度重视，也为纺织工业领域开创了发展的新机遇。

1.2.2三维编织复合材料的制作工艺

制作三维编织复合材料主要包括两道工序:

一是将纱线编织成所需的预制件，二是将预制件和基体复合，形成复合材料。

目前，树脂基三维编织复合材料通常采用的复合固化工艺是树脂传递模塑，即RTM（ResinTransferMolding）工艺。

1.2.2.1编织工艺

概括地说，三维编织的工艺过程是:

许多根纱线或纤维束按同一方向喂入，其一端的不同的轨迹移动，从而带动纱线在空间中运动，并使纱线或纤维束互相交叉或交织构成网络状结构，最后打紧交织面而形成各种形状的三维织物。

最常用的三维编织方式有四步法编织和二步法编织，在每种编织方法中又有矩形编织和圆形编织。

1.2.2.2复合工艺

树脂基三维编织复合材料的复合工艺一般采用RTM工艺。

RTM技术是近年来得到迅速发展的复合材料成型工艺技术，它是将树脂注入闭模中浸润增强材料并固化的工艺方法。

据国外专家估计，RTM成型工艺将成为本世纪末和下世纪初复合材料行业的主导成型工艺之一[20]。

传统的树脂层压工艺不能满足三维编织件的成形，因为其为立体结构，其内部组织纤维交织点多，所以树脂浸渍不均，不能深入编织件的每个部位。

成形压力高，树脂会难以控制。

对于某些浸润性一般的树脂来说，它很难浸透立体织物。

针对三维编织预制件这种特点，RTM工艺在此得到了应用，RTM工艺对制件不施加外力，而是借助一定压力将液态树脂注入密封的模腔，并同时浸渍预放在模腔内的纤维或织物。

显然，它不会改变织物的原结构。

根据三维编织件的形状制成模具，将预制件装入模腔，此时不仅控制了纤维体积含量，而且控制了制品的形状，预制件的纤维束间的空隙为RTM工艺的树脂

传递提供了通道，再辅以真空辅助，即能很好地完成RTM工艺制作三维编织复合材料的过程，RTM成型工艺具有以下主要特点:

（1）是一种闭模成型工艺;

（2）生产效率高;

（3）可适用于多种形式的纤维增强材料，如:

短切毡、连续纤维毡、织物、三维织物;

（4）可极大地减少有害成份对人体和环境的毒害;

（5）成型利于模具设计，也利于制备大尺寸、复杂外形、两面光的整体结构;

（6）与手糊、SMC,喷射、塑料注塑成型工艺的经济及工艺性能相比较为优异。

1.3三维编织复合材料的特性

1.3.1三维编织复合材料的结构特性

1.3.1.1三维编织物是不分层的整体织物

三维编织的基本单元中，四根纤维束在空间均匀地向四个方向延伸，使三维编织物不但在长、宽方向，在厚度方向也以相同的组织结构进行编织，因而消除了“层”的概念，形成了一个三维的不分层的整体织物，所以又称为三维整体编织。

层合复合材料经常在层间发生破坏，毫无疑问，不分层的整体织物对提高复合材料的性能具有十分重要的意义。

1.3.1.2三维异型预制件可一次编织成型

三维编织工艺可以直接编织出多种形状、不同尺寸大小的三维异型整体编织预制件。

然后可以直接复合成型出具有最终形状的复合材料制件。

这样，减少了工序、降低了加工费用。

而且复合材料制件基本不需要再机械加工，或仅做少量的加工，从而减少了对纤维不必要的损伤，保持了制品的整体性，使复合材料构件具有优异的力学性能。

目前已实现了多种异型整体编织，包括T字梁、L字梁、工字梁、椎套体、圆柱体等形状的编织，还有圆管与长方体的组合以及异型管材等。

另外，灵活的编织工艺还可以创造出许多新的复杂的形状。

例如可以编织出既相连又分层的隐层结构，以及形状变化而保持密度不变的密度均衡织物等等，而且还可以在编织体上留孔，从而避免机械加工给复合材料带来的损伤，所以三维编织又称为异型整体编织，或直接构件编织[21]。

1.3.1.3三维编织复合材料结构可设计

四步法三维编织的基本单元内的纤维束是四向结构，纤维束在空间均匀地沿对角线方向延伸。

从力学角度看来，这种均衡结构具有良好的综合性能。

在编织过程中还可以沿编织物的三个正方向再加入增强纤维（又称筋纤维或筋纱），以增强该方向的强度和刚度，发挥复合材料各向异性的优点。

三维编织结构的均衡性和异型整体编织工艺的灵活性给总体力学设计和零部件设计创造了条件。

它可以根据产品的性能和用途，调节纤维编织体的花节长度、编织角、编织单元和各方向的纤维束数等编织参数，从而实现编织复合材料产品的优化设计[22]。

1.3.2三维编织复合材料的力学特性

1.3.2.1三维编织复合材料具有高强度、高模量

编织的整体性保证了三维编织复合材料的高强度与高模量。

与金属材料相比，三维编织复合材料具有很高强度和模量。

表1.1[23]为用三维编织物增强的树脂基复合材料和0°/90°机织物铺层增强树脂基复合材料的性能比较，材料为3k和12k碳纤维。

表1.1三维编织树脂基复合材料和机织物铺层复合材料力学性能的比较

性能三维编织复合材料三维编织复合材料机织物铺层

（3k碳纤维）（12k碳纤维）复合材料

纤维体积含量（%）686865

拉伸强度（MPa）736.81067.2517.1

拉伸模量（GPa）83.5114.773.8

弯曲程度（MPa）885.31063.3689.5

弯曲模量（MPa）84.5136.565.5

可以看出:

三维编织复合材料的强度和模量要明显高于机织物铺层复合材料。

同时，在编织过程中可以任意在所需增强的方向上加入增强筋纤维。

这些筋纤维基本上是平直状态，可提高编织复合材料的强度与模量。

加入增强纤维的复合材料的拉伸强度是原材料的1.2倍，拉伸模量为1.2倍。

1.3.2.2三维编织复合材料具有优良抗冲击性和抗损伤性

Ko[24]用C/PEEK复合材料做了抗冲击实验，发现在相同冲击能量的作用下，三维编织复合材料的损伤面积比铺层复合材料的要小得多，特别是在冲击能量较大时，铺层复合材料的损伤面积比三维编织复合材料的损伤面积约大10倍。

由天津工业大学复合材料所提供编织试样制得的复合材料，经航空航天部门进行的轻气炮冲击实验表明:

在弹丸速度为7000m/s、动能为4480J及在有屏蔽的条件下，三维编织复合材料未发生整体破坏，它是目前唯一未发生整体破坏的试样。

Gause等首先指出三维编织复合材料具有良好的抗损伤性，他们将三维编织复合材料钻孔后进行强力测定发现，编织复合材料能保持90%以上的拉伸强度，这充分说明了三维编织复合材料的优良抗破坏性。

1.3.2.3三维编织复合材料具有良好抗烧蚀性

采用三维整体编织技术制作的复合材料比三向正交复合材料和缠绕复合材料有更好的抗烧蚀性，与三向正交复合材料相比烧蚀率下降约20%，表1.2给出了实验结果[25]:

表1.2不同工艺制造的复合材料性能对比

材料拉伸强度拉伸模量线烧蚀率背面升温

（MPa）（GPa）（mm/s）（℃）

三维整体编织碳/酚醛>50035.50.1815

三维正交编织碳/酚醛40236.40.2225

斜向缠绕碳/酚醛247.80.22--

总之，三维编织复合材料具有特殊的结构和性能特点，其在取代金属，节约能源，特殊专用等方面必将发挥独特的作用。

随着加工成形工艺不断更新，其巨大的潜力必将得到进一步挖掘。

1.4国内外研究状况及相关领域已有的研究成果

1.4.1国内外的研究现状

目前国内外有关三维编织复合材料切边方面的研究还较少。

Macander[26]于1986年研究了关于切边前后三维编织复合材料力学性能的差异问题，把三维编织T-300/5208复合材料试片分为两组:

一组未加工，另一组做了切割，然后对其力学性能包括拉伸强度，拉伸模量;压缩强度，压缩模量;弯曲强度，弯曲模量;泊松比等做了比较。

得出试件对切边非常敏感，三维四向结构试件拉伸强度下降了约60%，三维五向结构试件下降不到50%.

沈阳飞机研究所的陈绍杰、梁晶红[27]认为在实际生产中，三维编织复合材料的边缘效应有很大影响。

边缘切割过的试件和不切割的试件相比，拉伸强度几乎下降了50%,疲劳特性下降40%，当然这是编织试件宽度较小的情况，对于宽度较大的结构，影响会减小。

因此在设计时，应尽量使成型件的结构外型与设计尺寸相符，避免边缘切割。

在不可避免的情况下，可设计小的编织角，编织角越小，编织件的拉伸特性和疲劳特性下降越小。

孙慧玉[28]也于1997年作了一些有关切边问题的研究，将试件的长度和宽度二倍于未切割试件尺寸，用锯沿着试件长度和宽度方向切割平分，再用砂纸打磨受切割的侧边，使受切割的侧边平整，然后再对试件进行了拉伸试验，对比了受切割和未切割纤维对于试件侧边拉伸应变的影响，以及切边前后材料拉伸模量的差异和两者内应力的变化，并且简单讨论了拉伸失效的机理。

通过实验发现，受切割的拉伸性能低于未受切割试件的性能，受切割侧边试件的拉伸应变高于未受切割侧边试件的拉伸应变。

最近王波[29]等将一编织复合材料大板裁剪出不同尺寸的试件，通过分析弯曲模量随试件宽度和厚度的变化情况，得出当试件的几何尺寸足够大时，其弯曲模量与试件的尺寸和形态（整体编织或裁剪）无关，而只与其内部单胞的性能有关。

1.4.2存在的问题

目前还没有有关三维编织复合材料切边的一个系统的研究。

Macander虽然测试了三维编织复合材料切边前后的力学性能，但是没有介绍其切割方法;孙慧玉的研究集中于切边前后应力的差异问题，并且数据较少;陈绍杰、梁晶红只给出了拉伸强度与疲劳性能的下降百分比，陈述较少;而王波则与前面几位得出的结论相反，认为当试件的几何尺寸足够大时，其弯曲模量与试件的尺寸和形态（整体编织或裁剪）无关。

1.5课题研究的内容

（1）三维编织复合材料编织角的变化对其切边后力学性能的影响;

（2）不同的切边方法对三维编织复合材料力学性能的影响;

（3）切边对三维编织复合材料细观结构的影响。

2三维编织复合材料切边前后力学性能研究

2.1三维四向编织