發(fā)布時間：2018-10-05 19:17

【摘要】：經(jīng)編間隔織物作為一種近年來發(fā)展較快的紡織結(jié)構(gòu)材料,具有優(yōu)異的抗壓、抗沖擊和緩沖性能,將其作為增強材料加入基體中可以有效提高復(fù)合材料的剪切強度及厚度方向的壓縮性能。結(jié)合經(jīng)編間隔織物作為紡織結(jié)構(gòu)材料所特有的結(jié)構(gòu)整體性,使得經(jīng)編間隔織物特別適合作為各種復(fù)合材料的“增強骨架”使用。復(fù)合泡沫塑料是用空心微珠填充基體而制成的新型泡沫材料,其特殊的帶壁泡孔結(jié)構(gòu)使得復(fù)合泡沫塑料不僅保持了傳統(tǒng)泡沫塑料輕質(zhì)的優(yōu)點,而且力學(xué)性能相對較高,因此在航空、航海、汽車制造及建筑等領(lǐng)域均有應(yīng)用。但是,傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料在絕對力學(xué)性能方面普遍不足,這嚴(yán)重限制了此種材料的發(fā)展。基于以上原因,本研究將經(jīng)編間隔織物加入到傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料中復(fù)合成為新型的經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料,詳細(xì)研究了此種新型材料的界面結(jié)合情況及壓縮、彎曲、沖擊等力學(xué)性能,旨在為該復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)和試驗支持。為了研究增強相結(jié)構(gòu)和參數(shù)對經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能的影響,本研究設(shè)計并織造了4種具有不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的間隔織物樣品,包括2種不同的間隔梳櫛針背橫移針距數(shù),2種不同的表面組織及2種間隔絲直徑。結(jié)合3種不同種類的空心玻璃微珠,通過手糊成型方法共制備了8種經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料樣品及1種傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料對比樣品。作為三相復(fù)合材料,增強相的分布均勻程度和各組分間的界面結(jié)合情況對材料的各項性能有直接影響。基于上述原因,本論文首先通過樣品斷面的sem圖對材料中空心玻璃微珠的分布情況及微珠與基體的界面結(jié)合情況進行了觀察分析。結(jié)果表明空心微珠在復(fù)合材料基體和間隔絲周邊分布均勻,微珠與基體的界面結(jié)合狀況良好。為了探究間隔絲與復(fù)合泡沫塑料基體的界面結(jié)合情況,本文采用3種不同參數(shù)的微珠及4種不同直徑的滌綸纖維制備了多種纖維/微珠/環(huán)氧樹脂三相復(fù)合材料樣品,并在instron5567萬能材料試驗機上對其進行了經(jīng)典的微滴試驗。結(jié)果表明,纖維與復(fù)合泡沫塑料基體的整體結(jié)合情況良好,說明本研究的樣品制備工藝合理,材料選擇得當(dāng)。同時,纖維直徑、微珠體積分?jǐn)?shù)以及微珠內(nèi)外徑比等參數(shù)對復(fù)合材料的界面結(jié)合狀況有較大影響,采用較細(xì)纖維、較低微珠體積分?jǐn)?shù)及較小內(nèi)外徑比微珠的復(fù)合材料具有更好的界面結(jié)合。鑒于微滴試驗結(jié)果離散性較大的不足,本研究創(chuàng)新性的采用ansys接觸分析并基于庫侖摩擦模型對纖維/玻璃微珠/環(huán)氧樹脂三相復(fù)合材料的界面剪切強度和應(yīng)力分布狀況進行了模擬。結(jié)果顯示,有限元模擬可以較好的重現(xiàn)試驗結(jié)果及其變化趨勢,同時借助于有限元模型的vonmises應(yīng)力云圖及界面接觸摩擦應(yīng)力云圖,可在一定程度上對此種材料的微滴試驗機理進行解釋。為了探究經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的壓縮性能,本研究采用mts810萬能材料試驗機對經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料進行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為由線彈區(qū)及平臺區(qū)組成的兩段式形態(tài),這與傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料樣品三段式的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)不同。經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)對經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的壓縮性能有較大影響,具有較小間隔梳櫛針背橫移針距數(shù)及較密實間隔織物面層的復(fù)合材料顯示出較大的壓縮模量和屈服強度。采用較大間隔絲直徑(0.2mm)的復(fù)合材料樣品與較小間隔絲直徑(0.16mm)的樣品相比,具有略高的屈服強度及相近的壓縮模量。同時,適當(dāng)增加s60hs型空心玻璃微珠的體積分?jǐn)?shù)及采用內(nèi)外徑比較小的微珠也可以較為明顯的提升復(fù)合材料的壓縮性能。本文采用mori-tanaka方法,對經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的壓縮模量進行了理論預(yù)測。結(jié)果顯示,理論預(yù)測模型可以較好的模擬出不同樣品的壓縮模量值及變化趨勢,該模型尤其適合對微珠內(nèi)外徑比較小、微珠體積分?jǐn)?shù)適中的樣品的壓縮模量進行預(yù)測。同時,為了對經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的壓縮強度進行預(yù)測,本文基于纖維屈曲理論和橫向拉裂理論給出了經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料間隔絲軸向壓縮強度的兩種預(yù)測模型。研究表明基于橫向拉裂理論的壓縮強度模型預(yù)測結(jié)果較差,而基于纖維屈曲理論的間隔絲軸向壓縮強度預(yù)測模型則可以較好的模擬出不同參數(shù)復(fù)合材料的壓縮強度及變化趨勢�？紤]經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料的實際使用場景,本文對此種新型材料進行了三點彎曲測試以探究其彎曲性能。同時,還利用樣品三點彎曲宏觀、細(xì)觀破壞形貌結(jié)合最小路徑原理對復(fù)合材料的彎曲性能進行了理論解釋。研究結(jié)果顯示,在密度相當(dāng)?shù)那闆r下,經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料與傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料相比具有更高的彎曲強度及彎曲模量。經(jīng)編間隔織物的結(jié)構(gòu)及參數(shù),s60hs型空心玻璃微珠的體積分?jǐn)?shù)及微珠內(nèi)外徑比對復(fù)合材料的彎曲性能有較大影響,具有較小間隔梳櫛針背橫移針距數(shù),較緊密面組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料具有較好的彎曲性能。適當(dāng)提升s60hs型微珠體積分?jǐn)?shù)及采用更高強度的微珠也可起到提升材料彎曲性能的目的。為了探究此種材料的動態(tài)力學(xué)性能,在instrondynatup9250hv落錘式?jīng)_擊儀上對8種經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料樣品及1種傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料樣品進行了低速沖擊試驗。采用沖擊載荷峰值、主破壞能量值和吸收能量值3個指標(biāo)對樣品的沖擊性能進行表征,沖擊速度選擇為1m/s、1.5m/s和2m/s。結(jié)果顯示,除了面層組織為六角形網(wǎng)孔的復(fù)合材料,嵌入其它3種間隔織物的復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)復(fù)合泡沫塑料具有更高的沖擊載荷峰值,更高的主破壞能量值和較低的吸收能量值,從而具有更優(yōu)秀的抗沖擊性能。另一方面,具有較大間隔絲直徑、較小間隔梳櫛針背橫移針距數(shù)及較密實間隔織物面層組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料顯示出相對更好的沖擊性能。同時,適度提高s60hs型空心微珠體積分?jǐn)?shù)及采用內(nèi)外徑比較小的微珠也可以提高材料的沖擊載荷峰值和主破壞能量值,并減少能量吸收,進而提升材料的抗沖擊性能。在經(jīng)編間隔織物增強復(fù)合泡沫塑料低速沖擊性能的有限元模擬方面,采用沖頭、復(fù)合泡沫塑料芯層、面層復(fù)合材料板及間隔絲4部分組成了有限元模型,并借助于ANSYS/LS-DYNA及LS-PrePost兩款軟件對代表性樣品的沖擊性能進行了動力學(xué)模擬。其中ANSYS/LS-DYNA用來建立有限元模型、定義接觸參數(shù)、劃分網(wǎng)格、添加約束、設(shè)置求解參數(shù)、求解以及進行后處理,而LS-PrePost被用來進行后處理及輸出模擬結(jié)果。有限元模型較好的模擬了復(fù)合材料整體、間隔絲及面層復(fù)合材料板的實際變形狀況,而通過模擬得出的載荷-時間曲線、沖擊載荷峰值及主破壞能量值均與實際情況具有較高的吻合度。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TS186.1;TQ328

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本文編號：2254564