《含轴纱三维编织复合材料的弹性模量.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《含轴纱三维编织复合材料的弹性模量.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第2 7 卷第9 期 2 0 0 6 年9 月 纺织学报 J o 啪a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 7N o 9 s e p 2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 9 0 0 6 5 0 3 含轴纱三维编织复合材料的弹性模量 魏铭森，季涛 ( 南通大学，江苏南通2 2 6 0 0 7 ) 摘要对包含有轴纱的三维编织复合材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量进行了试验研究和理论分析。研究 结果表明，引入合适比例的轴纱不但可以减少编织工作量，还可以提高构件的轴向受力性能；在交织纱和轴纱的比 例分别为5
2、0 ，5 0 和7 5 2 5 时，材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量达到最佳值。 关键词三维编织；复合材料；弹性模量；轴纱 中图分类号：r I S l l 5文献标识码：A E l a s t i cm o d l l l 吣o f3 Db r a i d b dc o m p o s i t e sc o n t m I l i n ga 嫡a ly a r 璐 W E IM i n g - s e n ，J I ，I a 0 ( 呦愕泐”毋，讹砌，l g ，胁学u2 2 6 0 0 7 ，醌i M ) A b s 咖c tE x p e r i m e n t a la n dt h e
3、o r e t i c a lr e s e a r c h e sw e r eu n d e r t a k e no nt h ee l a s t i cm o d u l u si nt e n s i o na n d b e n d i n go f3 Db r a i d e dc o m p o s i t e sc o n t a i n i n ga X i a ly 锄s T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a ti n t m d u c t i o no fa ) 【i a l y a m sc a nr
4、e d u c et l l ew o r kl o a do fb r a i d i n g ，a n de n h a n c et h ea 菇a lf o r c eb e a I i n gc 印a c i t yo fc o m p o n e n t s0 f3 D b r a i d e dc o m p o s i t e s T h ee x p e r i m e n t a ll - e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee l a s t i cm o d u l u si nt e n s i o na n db e n d i n
5、gr e a c h e s t h eo p t i n a lv a l u ew h e nt h er a t i ob e t w e e nb r a i d e dy a m sa I l da ) 【i a ly a m si s5 0 5 0a I l d7 5 ，2 5 1 【e yw o r d s3 D ( d i m e n s i o n a l ) b r a i d e df 翻) I i c s ；c o m p o s i t e s ；e l a s t i cm o d u l u s ；a 】【i a ly 锄 三维编织复合材料是以三维编织预制件作为增
6、 强相和基体材料复合而成。若使一部分纱参与编织 ( 交织纱) ，另一部分纱不参与编织( 轴纱) ，可制得含 轴纱的三维编织复合材料( 又称为三维五向编织复 合材料) 。文献 1 ，2 对该种材料的性能及结构进行 了研究。本文就轴纱比例对三维编织复合材料拉伸 弹性模量和弯曲弹性模量的影响规律进行了试验研 究和理论分析。 1 试件和试验方法 采用长方体形三维编织预制件。预制件由玻璃 纤维粗纱在自制的三维矩形编织机上用四步法编织 而成。编织时将一部分纱连接在载纱器上，随载 纱器移动，另一部分纱连接在静止的轨道上不参与 编织，即可织得含有轴纱的三维编织物。 试验用玻璃纤维粗纱的线密度5 6 0t e
7、x ，密度 2 5 4g c m 3 ，断裂强度91 6 0c N ，延伸率1 5 3 ，拉伸 模量2 2 5c N d t e x ( 5 7 1G P a ) 。 共编织了5 种规格的预制件，交织纱和轴纱的 比例分别记为1 0 0 0 、7 5 2 5 、5 0 ，5 0 、2 5 7 5 、0 1 0 0 。每 一种编织预制件中的玻璃纤维纱的根数相同，均为 3 5 9 根，各种试验织物中交织纱的交织角为1 0 0 ，纤 维体积含量为4 0 。基体材料为环氧树脂( 双酚A 二缩水甘油醚) ，拉伸模量为3 0G P a 。 试验采用长方形三维编织预制件尺寸为 3 0 0m m 2 0n l
8、I I l 1 8m m ) ，每一种编织预制件均制 得3 根试件，试验结果是3 根试件的平均值。 用电测法测出材料的拉伸弹性模量E 用三点 弯曲试验测得材料的弯曲弹性模量E 。 收稿日期：2 0 0 4 0 9 0 6修回日期：2 0 0 5 一0 7 0 5 基金项目：江苏省自然科学基金资助项目( 0 1 B 1 3 0 0 0 1 ) 作者简介：魏铭森( 1 9 4 5 一) ，男，教授。主要从事纺织材料力学性能的研究。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the wate
9、rmark 【6 6 】 纺织学报第2 7 卷 2 试验结果 试件的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量的试验结 果如图1 、2 所示。 山 叟 删 辎 掣 融 垂 捌 O2 55 07 51 0 0 交织纱比例膈 图1交织纱比例与材料拉伸弹性模量的关系 蛊 叟 删 辎 趟 枯 霍 静 图2 交织纱比例与材料弯曲弹性模量的关系 由图1 、2 可看出，试件中交织纱和轴纱的比例 对材料的拉伸弹性模量和弯曲弹性模量的影响规律 相似。刚开始时，随着交织纱比例的上升，试件的拉 伸弹性模量、弯曲弹性模量都随之上升，在达到最大 值后，当交织纱的比例继续增大时，试件的弹性模量 下降。拉伸弹性模量在交织纱的比例为5 0
10、时达 到最大值，而弯曲弹性模量达到最大值的位置是在 交织纱的比例为7 5 时。交织纱和轴纱的比例对 弯曲弹性模量的影响大于对拉伸弹性模量的影响。 3理论分析 编织基本单元中1 根玻璃纤维纱叫的变形和 受力情况可简化为如图3 所示的情况。 图3 中，彳为试件的拉伸轴线方向，玻璃纤维纱 伽与石方向间的夹角为7 。沿伽方向的线应变e ， 的计算公式H 1 为 e y = ；c o s 2 口+ e y c o f 卢+ ：c o s 2 y ( 1 ) 式中，e ；、，和e ：分别为试件沿菇方向、y 方向和彳 方向的应变；口和p 分别为o A 与菇和y 方向的夹 图3l 根玻璃纤维纱的变形和受力情况
11、 角。其中c o s 2a + c o s 2 p + c o s 2y = 1 ，；= ，= 一惦：， 式中，v 为材料的泊松比。式( 1 ) 可简化为 ，= ：( c o s 2 y y s i n 2 ) ，) ( 2 ) 由于玻璃纤维纱沿其轴线方向的受力性能远远 高于其横向的受力性能，因此在计算玻璃纤维纱的 加强作用时可仅考虑玻璃纤维纱的轴向受力情况。 沿0 A 方向的玻璃纤维纱所承受的轴向载荷n 为 P 。= B A 一y = E ，A ，：( c o s 2 y v s i n 2 y )( 3 ) 式中，E ，和A 。分别为玻璃纤维纱的拉伸弹性模量 和横截面面积。该力在试件轴向的
12、投影为 P d = E y A s 7 c o s y = E y A “；( c o s 2y v s i n 2y ) c o s y ( 4 ) 整个试件的横截面上有n 根纱线加强，试件沿 轴向所承受的拉伸载荷P 可表示为 P = E 。A 。+ 只 ( 5 ) 式中，E 。为砂轮基体材料的弹性模量；A 。为横截面 上基体材料所占有的面积。将式( 4 ) 代入式( 5 ) ，并 注意到A ，= A ，A = A 。+ A ，A = A ，A ，A ，为 L = l 试件横截面上玻璃纤维纱总面积，A 为试件中纱线 的体积系数，整理后得 P = E m ( 1 A ) + E ，A ( c
13、o s 2 ) ，一v s i n 2y ) c o s y A ： ( 6 ) 由于P = 脒：，解得试件的拉伸弹性模量E 为 E = E 。( 1 一A ) + E ，A ( c o s 2 y v s i n 2 y ) c o s y ( 7 ) 特殊情况下，若编织预制件中的纱线均沿拉伸 方向平行排列，即所有纱线均为轴纱，y = 0 ，式( 7 ) 变为 E = E 。( 1 一A ) + E ，A( 8 ) 式( 8 ) 即为含纵向纤维复合材料的拉伸弹性模 量的计算公式b 。 捞 加 m ， O 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase f
14、rom www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第9 期 魏铭森等：含轴纱三维编织复合材料的弹性模量【6 7 】 式( 7 ) 是在假设编织预制件中的纱线都为斜向 交叉自由段的条件下得到的。实际上，交织纱线在 编织预制件中可视为由接触段和自由段两部分组 成。图3 所示的即为自由段的情况。轴向拉伸时包 含接触段的微元体将处于三向受拉应力状态，微元 体的实际轴向应变将减小，使得交织纱线的总体加 强效应得到提高。 考虑上述因素，对接触纱线部分引入接触系数 C ，( c ， 1 ) ，式( 7 ) 可修正为 E = E 。( 1 一A ) + E ，c 1A
15、 ( c o s 2 y v s i n 2 y ) c o s 7 ( 9 ) 此外，由于编织预制件中轴纱不可能处于理想 的直线状态，总会有不同程度的屈曲，轴纱对抗拉刚 度的加强效应将有所降低。引入不直系数 c ：( c ： 1 ) 后，式( 8 ) 变为 E = E 。( 1 一A ) + E ，C ：A( 1 0 ) 对于同时含有交织纱和轴纱的三维编织复合材 料，若其中交织纱与轴纱的比例分别为后，和J | ：，显 然有l | ，+ | | ：= l 。试件拉伸弹性模量E 的最终计算 公式为 E = E 。( 1 一A ) + E 0 C 1I j l ( c o s 2y v s i n
16、 2y ) c o s y + C 2 j 2J ( 1 1 ) 利用式( 1 1 ) 可对试验结果作出解释。在编织预 制件中交织纱不是简单的平面交叉，存在着交织接 触段。虽然交织纱自由段与试件拉伸方向的偏斜会 引起试件拉伸刚度的降低，但交织接触段的存在会 引起试件拉伸刚度的提高。此外，轴纱的屈曲使得 轴纱的加强效果降低。随着轴纱比例的提高，这一 问题将更为严重。特别是当轴纱的比例为1 0 0 时，由于没有了交织纱，预制件只能通过增加一些横 向捆绑来保持整体性。该结构只有在成形过程中施 加足够大的轴向力时，才能使轴纱在试件中处于直 线状态。本文试验中所有试件成形时都未施加轴向 力，导致轴纱比例
17、为1 0 0 时试件的拉伸和弯曲刚 度都最低。式( 1 1 ) 表明，应当有一个最合理的轴纱 比，可使得试件的拉伸弹性模量获得最大值。 对于三点弯曲试验情况，试件的下半部受拉，上 半部受压，轴纱比对试件弯曲弹性模量的影响规律 应与轴向拉伸试验情况相似。由于三点弯曲试验时 加载点与支撑点的局部变形对试件的弯曲弹性模量 有不利的影响，轴纱比愈高，局部变形愈大，因此，轴 纱比对试件弯曲弹性模量的影响更大。 4结论 研究结果表明，引入合理比例的轴纱在不影响 编织预制件整体性的基础上，可减少编织工作量，并 获得最佳的轴向受力性能。在交织纱与轴纱的比例 为5 0 ，5 0 时三维编织复合材料试件的拉伸弹性
18、模量 达到最大值，在交织纱与轴纱的比例为7 5 2 5 时试件 的弯曲弹性模量达到最大值。 参考文献： 李典森，陈利，李嘉禄三维五向编织复合材料的细 观结构分析 J 天津工业大学学报，2 0 0 3 ，2 2 ( 6 ) ：7 一1 1 李学明，李嘉禄，王峥三维五向编织结构对复合材 料性能的影响 J 天津工业大学学报，1 9 9 7 ，1 6 ( 5 ) ： 7 一1 2 杨桂，敖大新编织结构复合材料制作、工艺及工业 实践 M 北京：科学出版社，1 9 9 9 6 0 徐芝纶弹性力学 M 北京：人民教育出版社，1 9 7 9 2 5 3 王善元，张汝光纤维增强复合材料 M 北京：中国 纺织大学出版社，1 9 9 8 1 3 4 1JJ 1 l 2 3 4 5 r L r L r； 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark