三维编织复合材料T型梁细观结构及弯曲性能研究

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三维整体编织技术与RTM结合制备的三维编织异型截面复合材料,具有比强度高,比模量大,疲劳耐久性能好,材料性能设计性强等优点。同时,可以实现结构件无需后加工的整体制造,在航空航天结构领域中已得到越来越多的应用。三维编织预制体中纤维束在空间多个方向取向延伸并相互交叉交织,其增强成型的复合材料构件整体性好,除克服了层合复合材料易分层的缺陷外,还具有比传统复合材料更加优良的力学性能。目前,三维编织C、T和工型梁等复合材料构件在飞机和发动机结构上得到了应用,随着质量和生产效率的提高,三维编织复合材料在未来的飞机制造方面具有很大应用潜力。  本课题以碳/环氧三维五向编织复合材料T型梁为对象,基于1×l三维编织技术,通过设计局部轴纱增粗法和整体多步法两种编织工艺近净尺寸成型了三维五向T型梁预制体,设计金属对模,采用RTM工艺制备了腹板与肋板交接处带倒角的复合材料T型梁构件和无倒角的复合材料构件。  首先,通过对三维编织复合材料T型梁细观结构进行实验观测,建立了倒角区细观结构特征,分析了倒角区各系统纱线交织结构、挤压状态、截面形状。研究发现,两种仿形编织工艺方法都可以一次编织成型T型梁倒角区,倒角区纤维与树脂结合完好,无富树脂等疵点。对于局部轴纱增粗法,倒角区轴纱增粗可以无损伤地实现倒角区纤维束的微量增加填充,适合于小倒角制件。对于整体多步法,编织纱相互交错交织成与倒角半径相等的正方形,结合RTM过程中模具挤压成型倒角,该方法适合于大倒角制件。  根据工程实际要求比例,重新设计三维编织复合材料T型梁的编织工艺参数。设计并制作了三点弯曲测试夹具,实施了准静态三点弯曲性能测试,进一步比较不同编织工艺下不同的细观结构对碳/环氧三维五向编织结构复合材料T型梁弯曲性能的影响。实验发现带倒角复合材料T型梁较无倒角T型梁弯曲强度和模量高,说明倒角的存在有效提高了T型梁弯曲性能。局部轴纱增粗法复合材料T型梁的弯曲强度和模量高于整体多步法T型梁。  课题紧跟实际工程应用,针对三维编织复合材料T型梁腹板和肋板间倒角处应力集中破坏的工程缺陷问题,系统研究了近净体仿形编织方法为三维编织复合材料异型截面梁结构提供参考。
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