摘要：设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料,利用数字图像同步测试技术(DIC)系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析,对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明,经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响,三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能,得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外,三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时,经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接,降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。

摘要：为预测三维机织复合材料工艺引入的残余应力/应变,提出工艺制度优化方案,建立了一种工艺过程分析的多尺度模型。通过建立纤维尺度及纱线尺度代表体元(RVE),计算了成型过程中纤维纱线及三维机织复合材料的模量演化历程。考虑固化过程中树脂的化学收缩效应,在纱线尺度上开展热-化学-力学耦合分析,预测了细观残余应力-应变及其演化规律。采用三维机织技术,实现了光纤布拉格光栅传感器(FBG)在三维机织预制体中的预埋,并对其树脂传递模塑(RTM)成型过程中的温度、应变历程进行监测,试验结果验证了有限元模型的准确性。采用基于空间信息、误差信息和优化结果的三种序列采样方法,建立了工艺过程分析代理模型,并开展工艺参数优化设计,结果显示采用优化后的工艺参数,残余应变降低了15.4%,工艺周期缩短了10.6%。

摘要：为实现直升机板簧式起落架减重和提高层间剪切性能,采用碳纤维三维机织结构整体制备复合材料起落架。针对起落架的设计要求,通过受力分析和理论计算,建立了板簧式起落架的三维力学分析模型;通过材料实验和理论计算,获得了有限元计算所需的材料工程常数;结合最大应力-应变准则,采用有限元方法对板簧进行准静态加载模拟,确定了板簧的截面和轴线几何形状,以及变截面增厚部位的长度值与厚度值。结果表明:基于斜纹2.5维机织复合材料结构,截面宽度为120 mm,厚度为24 mm的弓式圆弧形、矩形截面板簧在满足挠度的同时其应变小于材料许用应变值;基于优选截面,增厚长度为760 mm,增厚厚度为36 mm时,复合材料起落架不仅能较好满足挠度、强度等设计要求,而且在同类型航空用4340钢制成的板簧结构件基础上质量减少约30%。

摘要：建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型,由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数,再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件,保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型,用实验标定树脂的蠕变参数,代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元,得到材料宏观平均的应力-应变响应,模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测,均与实验吻合。

摘要：为研究开孔尺寸对三维机织复合材料拉伸力学行为、破坏模式以及失效机制的影响规律,设计了3种不同孔径的三维机织复合材料试样,利用非接触全场应变测试系统和显微图像技术进行表征。结果表明:6、10、14 mm的孔径对三维机织复合材料的拉伸模量几乎没有影响,开孔后全截面拉伸强度分别下降35.6%、44.5%和51.8%,但开孔后的净截面拉伸强度基本相同,与未开孔试样相比,平均拉伸强度下降约22.4%;未开孔试样的全场应变呈现均匀分布,而开孔试样在孔左右两侧呈现出应变集中;开孔试样的断口形貌相似,主要表现为经纱的断裂,并伴随有部分纱线的抽拔以及层间开裂。

摘要：如何确定预制件的结构参数与复合材料厚度之间的数量关系是设计人员面临的一个难题。对三维机织复合材料横截面图像细观结构进行观察分析。结果表明,决定三维机织复合材料厚度的部位在沿纬纱的中心线横截面处;经纱的横截面呈长方形;纬纱的纵向轨迹呈直线形。基于细观结构导出了用预制件结构设计参数表示的复合材料厚度计算公式,用算例验证了公式的正确性。验证结果表明,复合材料厚度计算公式正确,具有实用性。

摘要：研究三维机织复合材料的弹性性能,提出纱态概念,将三维机织构件拓扑结构转换为数据库的二维表;基于纱态概念提出了新的纤维卷曲模型和交叉曲面板模型,借助三次样条曲线理论,建立了预报三维机织复合材料弹性性能的CAD模型,并以若干典型试验进行了验证.

摘要：设计制备了3种不同结构的多层多向层联三维机织复合材料(M3DAWC),利用非接触式全场应变测量系统和SEM对其拉伸性能进行了研究。研究表明,织物结构对M3DAWC的宏观力学行为有重要的影响,沿0°方向拉伸,破坏模式随着斜向纱体积分数的增加,从齐口破坏演变为斜向纱的抽拔失效,沿90°方向拉伸,破坏模式基本一致,表现为斜向纱的抽拔和滑脱。同时,斜向纱体积分数对M3DAWC的拉伸强度和拉伸模量也有显著影响,沿0°方向拉伸,随着斜向纱体积分数的增加,拉伸强度和拉伸模量逐渐减小,沿90°方向拉伸则表现出相反的变化规律。

摘要：针对国产T800级S与H型碳纤维对于三维机织复合材料风扇叶片的适用性开展试验研究,试验结果表明S型纤维具备更高的拉伸断裂强度,但其三维机织复合材料疲劳性能较差,适用于非疲劳高承载结构;而H型纤维三维机织复合材料的拉伸强度略低于S型纤维,但相同载荷条件下其疲劳寿命比S型纤维高108.91%,相比之下,H型纤维更适用于航空发动机风扇叶片。

摘要：三维机织复合材料具有结构可设计性强、复杂构件整体近净成型、冲击损伤容限高等优点,成为航空航天领域新材料研制关注的重点。近年来,三维机织复合材料的结构设计、细观建模、性能分析等得到了快速的发展,并取得了实质性成果。多轴向机织结构的开发,精细化建模研究,自动化连续生产是三维机织复合材料的发展趋势。本文介绍了典型的三维机织预制体的结构特点,对比分析了不同预制体结构的三维机织复合材料的准静态力学性能,回顾了三维机织复合材料的细观结构建模、理论分析和数值模拟等方面的研究进展,列举了三维机织复合材料在航空航天领域的典型应用,为三维机织复合材料应用研究提供参考。