平针缝纫非织造布复合材料面内力学性能的研究

摘要

从20世纪80年代初以来，将缝纫工艺用于制造先进3D复合材料已经取得了令人瞩目的成功。与传统的复合材料层合板相比，缝纫工艺大大提高了复合材料的分层阻抗和冲击损伤容限。同时，其生产成本比三维机织或编织复合材料低得多。但是，缝纫技术在提高复合材料层间性能的同时，面内性能由于缝纫造成的纤维破损、纤维错位、纤维弯折等原因而下降。因此，对缝纫复合材料面内力学性能进行研究就显得非常重要。基于此，本文主要开展了以下工作:
　　 选用非织造布作为铺层材料，预制件由四层Kevlar纤维毡经过缝纫制得。缝纫采用了2种不同细度和品种的缝纫线、5种缝纫密度和2种缝纫方式，用真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)对缝纫后的预制件注入乙烯基酯树脂。经固化试验后，将复合材料板切割成拉伸或弯曲测试试样的尺寸。
　　 在进行拉伸性能测试的时候，试样分别采用改进锁式和平针缝纫方式，以相同的缝纫密度、相同的缝纫线进行缝纫。与改进锁式方式缝纫的复合材料相比，平针缝纫复合材料试样的拉伸强度提高了7％，拉伸弹性模量提高了2.5％，弯曲强度提高了30.58％,弯曲模量提高了13.8％，证明了平针缝纫作为一种新的缝纫方式的发展潜力。
　　 论文还研究了平针复合材料的缝纫密度、缝纫针距和行距、缝纫线的种类、缝纫线的细度等缝纫参数对复合材料弯曲性能的影响。研究结果表明，缝纫密度越大，缝纫复合材料的弯曲性能下降的越多;在缝纫密度相同的情况下，缝纫的行距比针距对弯曲性能的影响大;缝纫线的直径越大，缝纫后复合材料的弯曲性能的下降越多;而缝纫线种类对弯曲性能影响不大。
　　 采用有限元分析软件ANSYS对非缝纫和缝纫复合材料的拉伸、弯曲过程进行了模拟，比较了非缝纫和缝纫复合材料试样的的面内应力和位移分布特点，从多方面阐述了缝纫复合材料拉伸弯曲性能降低的原因。
　　 最后，通过总结本课题的不足之处，对平针缝纫设备、非织造布复合材料、缝纫复合材料全方面的力学性能测试等方面提出了展望。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 纤维增强复合材料

1．2 复合材料层合板的特点及问题

1．3 缝纫技术在复合材料上的应用

1．3．1 缝纫技术的发展

1．3．2 缝合复合材料面内性能下降的原因

1．3．3 缝合复合材料的应用前景

1．4 复合材料预制件的种类

1．4．1 机织物

1．4．2 编织物

1．4．3 针织物

1．4．4 非织造布

1．5 缝纫复合材料的缝纫工艺参数

1．5．1 缝纫方式

1．5．2 缝纫密度(行距×针距)

1．5．3 缝针

1．5．4 缝线特征

1．5．5 缝合式样

1．5．6 缝合角度

1．6 复合材料常用的树脂基体

1．6．1 不饱和聚酯树脂

1．6．2 环氧树脂

1．6．3 酚醛树脂

1．6．4 乙烯基酯树脂

1．7 树脂传递模塑法(RTM)

1．7．1 VARTM工艺优点

1．7．2 VARTM主要成型参数及其对成型加工的影响

1．8 本课题研究目的和内容

1．9 参考文献

第二章 缝纫复合材料的制备

2．1 引言

2．2 缝纫预制件的制备

2．2．1 定位预制件的针脚

2．2．2 缝纫复合材料的预制件

2．2．3 缝纫线种类

2．2．4 缝纫方式

2．2．5 缝纫密度

2．2．6 四层Kevlar纤维毡缝纫的实物

2．3 复合材料固化

2．3．1 固化原料和设备

2．3．2 固化条件

2．3．3 凝胶时间的测定

2．3．4 成型过程

2．4 结果与讨论

2．4．1 固化条件对凝胶时间的影响

2．4．2 树脂流动与浸润情况

2．4．3 固化后复合材料表面形态

2．5 结论

2．6 参考文献

第三章 缝纫工艺对复合材料面内力学性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 复合材料拉伸性能测试

3．2．2 复合材料弯曲性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 缝纫方式对拉伸性能的影响

3．3．2．缝纫方式对弯曲性能的影响

3．3．3 缝纫密度对弯曲性能的影响

3．3．4 缝纫线的种类对弯曲性能的影响

3．3．5 缝纫线细度对弯曲性能的影响

3．4 本章小结

3．5 参考文献

第四章 缝纫复合材料拉伸弯曲性能的有限元分析

4．1 引言

4．2 复合材料试样拉伸性能模拟

4．2．1 建立拉伸的有限元模型

4．2．2 加载求解

4．2．3 求解结果

4．3 复合材料试样弯曲性能模拟

4．4 结果与讨论

4．4．1 复合材料拉伸试样X方向应力等值线图

4．4．2 复合材料拉伸试样的合位移等值线图

4．4．3 复合材料弯曲试样的X方向应力等值线图

4．4．4 复合材料弯曲试样的Y方向应力等值线图

4．4．5 复合材料弯曲试样Z方向应力等值线图分析

4．4．6 复合材料弯曲试样等效应力等值线图分析

4．4．7 复合材料弯曲试样X方向位移等值线图分析

4．4．8 复合材料弯曲试样Y方向位移等值线图分析

4．4．9 复合材料弯曲试样Z方向位移等值线图分析

4．4．10 复合材料弯曲试样合位移等值线图分析

4．5 本章小结

4．6 参考文献

第五章 结论与展望

5．1 课题研究结果

5．2 本论文的创新点

5．3 课题展望

致谢