论文摘要
随着现代科技的发展,除了强度高等常规性能以外,对材料也提出了许多新要求,其中包括重量轻、刚度大、能量吸收性能好、耐冲击破坏等性能。根据以往对聚合体泡沫、蜂窝结构、金属环型系统、木材等的研究发现,空芯结构复合材料内部含有大量的空间,表现出特有的高能量吸收能力。另一方面,纺织结构是由特定方向排列的低密度纤维集合体组成,它们很容易变形达到所需结构。由此可见,结合纺织结构和空芯结构复合材料的优越性能,采用合适的材料体系、纤维排列方式、加工技术和空芯结构几何模型可以生产出以其作为芯材的理想的符合能量吸收要求的轻质、隔音隔热效果好的夹芯纺织结构增强复合材料。目前国外对夹芯结构复合材料的研究已经作了比较多的工作,而国内在这方面的研究则较少,仍处于起步阶段;极大多数的研究工作都是针对层合夹芯结构复合材料进行的,这种通过粘结方式而成的层合夹芯结构复合材料在受力时,面板与夹芯部分之间容易脱离而破坏,从而影响材料的抗冲击性能,研究并开发整体夹芯纺织结构势在必行。三维整体夹芯机织结构复合材料在结构上较其他各种2D、3D复合材料更为复杂,也就导致在研究过程中必然存在更多的难点,比如预制件的组织结构设计,预制件织造与复合材料的成型以及在冲击过程中的破坏过程与破坏机理等。为了尽可能的解决这些问题,论文首先以织物细观结构分析为基础,对三维整体夹芯机织预制件结构进行了参数化表征。以正交接结组织为基础结构的三维整体夹芯机织结构预制件的细观结构可用8组参数予以量化,它们分别是各段接结深度,接结距离,勾结深度,三个部分的接结纱组织点飞数,接结段长度和接结纱对数。通过改变织物的结构特征参数,能够演变出种类繁多的各种三维整体夹芯机织结构,并且这些结构在满足设计要求的同时,也能满足实际的织造要求。在以上工作的基础上本文设计了一系列的具有蜂窝夹芯的3D整体夹芯机织结构。并通过对普通二维织机的一系列改造之后完成了预制件的上机织造,最后通过真空辅助树脂渗透的方法将其制成了复合材料板材。普通的三维复合材料只存在两个结构相,即增强体与基体,本文设计的3D整体夹芯机织结构复合材料又增加了空芯体,它的存在必然对其它两相产生影响,并最终影响复合材料的力学性能,接下来本文建立了预制件几何结构模型用于预测固化成型后复合材料纤维体积百分含量及夹芯部分的体积百分含量。为了验证模型的有效性及预测参数的可靠性,将计算值与实际试样的测试值进行了对比。为了分析复合材料的抗冲击性能,本文主要对复合材料进行了两种冲击测试——准静态穿透测试及落锤冲击测试,并对测试结果进行了比较与分析。研究了复合材料各结构参数对其抗冲击性能的影响及冲击过程中复合材料板材的能量吸收性能及破坏机理。最后本文对三维整体夹芯机织复合材料在准静态冲击条件下的抗冲击过程进行了有限元模拟。模拟结果与上述测试结果吻合的较好,即本文提出的有限元模型是预测三维整体夹芯机织复合材料能量吸收性能的有效方法。根据此方法可以有效地模拟冲头贯穿复合材料板材的过程,以及复合材料板材在冲击过程中的破坏形态和破坏机理。本文的创新点是:(1)通过对三维整体夹芯机织结构进行参数化表征,首次提出三维整体夹芯机织预制件的结构设计方法,并在改造的普通织机上实现了预制件的制织。(2)通过建立预制件的几何结构模型,预测复合材料中夹芯部分的体积百分含量。(3)建立了三维整体夹芯机织复合材料在准静态冲击条件下的有限元分析模型,通过实验结果验证后用于模拟三维整体夹芯机织复合材料在准静态冲击条件下的破坏过程并预测其能量吸收性能。