碳纤维复合材料凭借其较高的比强度、比模量以及其他优异性能在机械工程领域的高端装备应用中正逐步取代传统的金属材料而得到快速发展。其中,三维正交机织物作为复合材料的重要组成部分,其正交机织结构能够显著提高材料的轴向压缩性能和冲后压缩性能。然而,其几何结构受织造工艺过程(捆绑纱张力)影响,导致变化的纱线轨迹路径和不规则的纱线横截面。这些几何微结构的变化进一步导致复合材料力学性能的差异。因此,研究织造工艺过程对三维正交机织复合材料的生产和应用具有重要的理论价值和现实意义。本文以三维正交机织物成形过程及其增强复合材料压缩性能为对象开展研究。详细分析了三维正交机织物的织造工艺过程,设计并研制了三维正交机织物的织造样机,建立了三维正交机织物的细观尺度几何结构;在此基础上,进一步建立了三维正交机织复合材料的有限元模型;设计并搭建了三维正交机织复合材料轴向压缩试验平台和冲后压缩试验平台,验证了有限元模型的有效性;结合试验和仿真结果进一步研究并揭示了织造工艺过程(捆绑纱张力)对三维正交机织复合材料轴向压缩性能和冲后压缩性能的影响机理。论文主要研究内容和研究结果如下:(1)以三维正交机织物为对象,研究了其织造工艺原理和特征,基于传统剑杆织机,结合三维正交机织物的结构特征,设计并研制了三维正交机织织造样机,通过调整织造工艺参数(捆绑纱张力),获得了三种张力配置(N25,N50,N100)的三维正交机织物,分析了捆绑纱张力对织物几何结构的影响。分析结果表明:捆绑纱张力对三维正交机织物的几何微结构具有显著影响。捆绑纱张力增大,外层纬纱轨迹在交织位置的卷曲增大,捆绑纱轨迹卷曲减小,纬纱和捆绑纱卷曲程度呈现此起彼伏的交互性。另一方面,随着捆绑纱张力的增大,经纱横截面从矩形转变为凸镜形。(2)基于纤维连续介质力学和动力学方法对三维正交机织物成形过程进行了细观尺度的数值仿真模拟,并对纱线相互交织过程进行了分析研究,重点分析了织造成形过程中的捆绑纱张力对三维正交机织物几何微结构的影响机理,分析结果表明捆绑纱张力所产生的横向作用力是纬纱交织位置发生卷曲的根本原因,并且随着捆绑纱张力的增大,纬纱卷曲程度增大。位于中间层的经纱虽然没有直接受到捆绑纱的横向作用力,但是较大的纬纱卷曲程度会导致经纱边缘纤维发生波动,表现为经纱的整体扭转,并且扭转角度随着捆绑纱张力的增大而增大。(3)在三维正交机织物细观尺度几何结构的基础上,进一步开发了体素网格生成方法和网格单元识别方法,利用纤维的轨迹点坐标为每一个纱线单元赋予局部材料坐标,以复合材料代表单元(RVE)为对象在经纬纱方向上施加了周期性边界条件,根据纤维增强体的多相材料本构方程和失效判据,建立了三维正交机织复合材料的有限元模型,用于进一步的力学性能数值仿真研究。(4)考虑了复合材料轴向压缩试验和冲后压缩试验标准,根据本文所研究的三维正交机织增强体的几何结构特征,对复合材料试样的尺寸规格进行了优化调整,设计了三维正交机织复合材料轴向压缩性能试验方法和冲后压缩性能试验方法,并搭建了相应的试验平台。(5)进行了三维正交机织复合材料的轴向压缩试验,验证了本论文所建立的有限元模型的有效性,分析了织造工艺参数(捆绑纱张力)对三维正交机织复合材料的压缩力学性能的影响规律,分析结果表明捆绑纱张力增大,纬纱卷曲程度增大,进而导致纬纱方向的压缩承载能力下降。另外,纬纱卷曲所引起的经纱扭转,导致材料在经纱方向的压缩承载能力下降。进一步的,冲后压缩试验结果表明纬纱卷曲所引起的表面树脂富集导致材料冲击后大面积的树脂剥离损伤,显著降低了复合材料的冲后压缩性能。