三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.005

复合材料科学与工程 ›› 2021, Vol. 0 ›› Issue (4): 35-40.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210428.005

三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证

李春晖¹, 贺磊^1,2*, 王正方¹, 程祥¹

1.山东理工大学机械工程学院,淄博255000;
2.机械科学研究总院集团有限公司先进成形技术与装备国家重点实验室,北京100083

收稿日期:2020-08-17 出版日期:2021-04-28 发布日期:2021-04-30
通讯作者: 贺磊(1980-),男,博士,副教授,主要从事机构学与创新设计等方面的研究,helei@sdut.edu.cn。
作者简介:李春晖(1996-),女,硕士研究生,主要从事现代设计理论与方法方面的研究。
基金资助:
2019年度山东省新旧动能转换重大工程重大课题攻关项目(XJZHGG2019002);国家自然科学基金资助项目(51790173)

PREDICTION AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF THREE-DIMENSIONAL WOVEN COMPOSITE PREFORM FIBER VOLUME FRACTION

LI Chun-hui¹, HE Lei^1,2*, WANG Zheng-fang¹, CHENG Xiang¹

1. School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China;
2. State Key Laboratory of Advanced Forming Technology and Equipment, China Academy of Machinery Science and Technology Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

Received:2020-08-17 Online:2021-04-28 Published:2021-04-30

摘要/Abstract

摘要： 为确定三维织造复合材料预制体的纤维体积含量,建立四边形和三角形预制体的细观结构模型,将预制体划分为内胞、边胞、角胞等单胞形式,确定单胞类型系数并根据单胞排布方式将预制体用矩阵表示,将计算的纤维体积含量理论值与称重法得到的实测值进行比较。结果表明:预制体纤维体积含量的理论计算模型较为准确,误差控制在4%以内;纤维体积含量随Z向纤维股数的增大而增大,随规格的增大而减小,当规格增大到一定值时,纤维体积含量趋近相同;纤维体积含量实测值随织造层数和水平面内纤维股数的增大而减小。

关键词: 复合材料预制体, 纤维体积含量, 单胞, 称重法

Abstract: Fiber volume fraction is an important indicator for the design and analysis of three-dimensional woven composites, and has a great influence on the impregnation process and material properties of composites. In order to determine the fiber volume fraction of the three-dimensional woven composite preform, the meso-structure model of the quadrilateral and triangular preforms was established. The preform is divided into unit cell forms such as interior cell, side cell, corner cell, etc. The unit cell type coefficient is determined and the preform is represented by a matrix according to the unit cell arrangement. The fiber volume fraction of the preform is calculated by the unit cell type coefficient matrix and the unit cell volume. The fiber volume fraction theoretical value is compared with the actual measured value obtained by the weighing method. The results show that the theoretical calculation model of preform fiber volume fraction is accurate, and the error is controlled within 4%. The fiber volume fraction increases with the increase in the number of fiber strands in the Z direction, and decreases with the increase of the size. When the size increases to a certain value, the fiber volume fraction approaches the same. The measured value of fiber volume fraction decreases with the increase of the number of weaving layers and the number of fiber strands in the horizontal plane. Finally, the possible reasons for the above conclusions are analyzed. This calculation method can provide a theoretical reference for the prediction of fiber volume fraction of arbitrary shape preforms.

Key words: composite preform, fiber volume fraction, unit cell, weighing method

中图分类号:

TB332

李春晖, 贺磊, 王正方, 程祥. 三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(4): 35-40.

LI Chun-hui, HE Lei, WANG Zheng-fang, CHENG Xiang. PREDICTION AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF THREE-DIMENSIONAL WOVEN COMPOSITE PREFORM FIBER VOLUME FRACTION[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2021, 0(4): 35-40.

参考文献

[1] 单忠德, 范聪泽, 孙启利, 等. 纤维增强树脂基复合材料增材制造技术与装备研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(2): 221-226.
[2] 单忠德, 康怀镕, 臧勇, 等. 三维织造层间增强的纤维棒复合材料细观结构模型及力学性能有限元模拟[J]. 复合材料学报, 2015, 32(1): 138-149.
[3] KANG H R, SHAN Z D, ZANG Y, et al. Effect of yarn distortion on the mechanical properties of fiber-bar composites reinforced by three-dimensional weaving[J]. Applied Composite Materials, 2015, 23(2): 119-138.
[4] 李典森, 李嘉禄, 陈利, 等. 三维编织复合材料蠕变行为的试验研究[J]. 航空材料学报, 2006, 26(1): 76-80.
[5] BOUREMANA M, TOUNSI A, KACI A, et al. Controlling thermal deformation by using composite materials having variable fiber volume fraction[J]. Materials & Design, 2009, 30(7): 2532-2537.
[6] LIU B, XU A C, BAO L M. Preparation of carbon fiber-reinforced thermoplastics with high fiber volume fraction and high heat-resistant properties[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2015, 30(5): 724-737.
[7] 康怀镕. 三维织造层间增强的纤维棒复合材料力学性能研究[D]. 北京: 北京科技大学, 2016.
[8] 张彦靖, 魏志远, 刘海涛, 等. 碳纤维三维编织复合材料横向变形损伤声发射监测[J]. 复合材料科学与工程, 2020(3): 31-36.
[9] 杨彩云, 李嘉禄. 三维机织复合材料纤维体积含量计算方法[J]. 固体火箭技术, 2005, 28(3): 224-227.
[10] 荆云娟, 陈利, 王海涛, 等. 三维正交机织圆管织物的试织及其单胞模型[J]. 棉纺织技术, 2016, 44(6): 23-27.
[11] 马忠辉, 孙秦. 三维四向编织复合材料纤维体积含量的预测与参数分析[J]. 西北工业大学学报, 2003, 21(6): 662-666.
[12] 姜卫平, 杨光. 三维五向管状织物纱束轨迹及纤维体积分数的分析与研究[J]. 复合材料学报, 2004, 21(6): 119-124.
[13] 郭兴峰, 王瑞, 黄故, 等. 三维正交机织物参数对纤维体积含量的影响[J]. 复合材料学报, 2004, 21(2): 123-127.
[14] 师有玲, 单忠德, 刘丰, 等. 三维织造复合材料细观模型[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2016, 47(8): 2621-2628.
[15] 师有玲. 三维织造复合材料细观结构与力学性能关系研究[D]. 北京: 机械科学研究总院, 2015.
[16] 刘云志, 单忠德, 战丽, 等. 柔性导向三维正交结构复合材料预制体建模研究[J]. 工程塑料应用, 2016, 44(6): 63-66, 83.

三维织造复合材料预制体纤维体积含量的预测及实验验证

PREDICTION AND EXPERIMENTAL VERIFICATION OF THREE-DIMENSIONAL WOVEN COMPOSITE PREFORM FIBER VOLUME FRACTION

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨成, 朱立平, 刘延友, 程海霞, 郭居上. 针刺工艺对CFRP面内刚度的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 106-112.
[2]	康少付, 李进, 瞿立, 马鹏. 共聚酯无纺布定型-增韧碳纤维复合材料的制备及力学性能[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(4): 53-59.
[3]	刘姝呈, 李林秀, 潘利剑, 宁博. 自动铺放工艺参数对干纤维预成型体工艺性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(11): 93-101.
[4]	封桥桥, 文立伟, 肖军, 王宇. 复合材料预制体单边弯针缝合装备技术研究[J]. 复合材料科学与工程, 2019, 0(11): 86-94.
[5]	刘强, 何兆亨, 马艺涛, 付杰. 碳纤维复合材料双胞日字形管轴向压溃吸能特性研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019, 0(10): 65-69.
[6]	冯古雨, 曹海建, 周红涛, 卢雪峰. 三维机织复合材料单胞模型各向异性的有限元分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2017, 0(8): 48-52.
[7]	檀江涛,马晓红,秦志刚. 二维编织复合材料管件轴向压缩性能研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2017, 0(12): 57-59.
[8]	陈吉平,高龙飞,苏佳智,韩小勇. VARI工艺中纤维体积含量的影响因素及控制技术研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016, 0(3): 79-82.
[9]	关晓方, 贾智源. 高模玻纤单向织物在风电叶片主梁帽中的应用对比[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016, 0(2): 71-74.
[10]	张平, 桂良进, 范子杰. 三向编织复合材料拉伸强度研究[J]. 复合材料科学与工程, 2014, 0(8): 92-96.
[11]	陆倩倩, 李炜. 经编轴向针织物线圈结构模型的研究[J]. 复合材料科学与工程, 2013, 0(1): 84-89.