制造参数对编织织物几何结构及其复合材料构件吸能特性影响规律研究

The hollow composite component, which is fabricated by injecting resin into textile reinforcement interlaced by circular braiding process, has an excellent specific energy absorption capability. The mechanical property design of composite enables more possibilities for the manufacturing parameters of braided reinforcement such as the releasing tension of braiding tow, rotational speed and translational speed. In this proposal, the fracture mode of component and occurrence and development of crack under different loading conditions will be completely discussed by experimental method. Taking into consideration contact, friction and slippage of flexible bodies, a multi-scale with respect to fiber-tow-fabric model of braiding process will be established to obtain the realistic geometrical structure of braided reinforcement. A finite element model consisting of reinforcement, cohension and resin will be developed to reveal the influence of manufacturing parameters on the damage behavior and consequently energy absorption capability of braided composite component. The contents of the proposal embody fusion of mechanics, mechanical and material science. It is expected to clarify the influence of manufacturing parameters of braiding process on service performance of braided composite component. It is also believed to provide support for design and manufacture of textile reinforcement composite structure.

由环形编织技术制造的纤维增强体经树脂固化可得到复合材料管状构件，因具有优异的比能量吸收特性在轻量化结构设计中获得应用。复合材料力学性能的可设计性为增强体编织制造参数（如锭轴释纱张力、回转速度、抽取速度等）留有较大的调节空间。本项目拟通过实验研究，掌握不同载荷条件下构件破坏形式和裂纹产生、发展模式的变化规律；建立考虑柔性体间接触、摩擦和滑移行为的纤维-丝束-织物多尺度编织成型过程力学模型，获得计及制造参数的纤维增强体真实化几何结构；通过细观力学有限元方法，构建涵盖增强体-界面层-树脂的逐步损伤演化模型，揭示编织制造参数对构件损伤演化及其能量吸收特性的影响规律。本项目内容体现了机械、力学和材料等多学科领域的交叉，有望明确纤维增强体制造参数对构件服役性能的基本影响规律，为纤维增强复合材料构件的设计制造方法完善提供支撑。

树脂基复合材料结构件在轻量化机械装备性能生成中发挥了重要作用。得益于相互交织的增强结构，编织复合材料构件局部裂纹形成之后的后续发展能够被有效抑制，因此具有高冲击损伤容限的优点。发达国家已将该技术成功应用在工作在强动态载荷的工程对象中，如涡扇航发风扇机匣、重型直升机螺旋桨等。然而，由于柔性织物成型稳定性差、增强结构可设计性强等原因，国内工业界尚未完全掌握编织复合材料构件设计与制造技术。本项目通过试制编织装备、发展编织成形过程预测模型以及分析编织复合材料构件冲击力学响应等工作，取得了如下成果：.1）提出适用于长径比纤维的碰撞检测和接触状态算法，完善了柔性纤维动力学理论和有限元数值计算方法，建立了纤维-丝束-织物的增强体结构多尺度预测模型。在此模型基础上，对编织纱线在芯轴上沉积过程进行了分析，得到了适用于异型芯轴的编织物结构预测模型，关联了编织工艺参数和编织铺层微观结构特征。.2）分析了编织复合材料结构件低速冲击响应，采用准静态压印试验和介观尺度有限元仿真对冲击诱导的逐步损伤发展过程进行分析。通过编织工艺参数调节，制备了具有不同几何特征的编织铺层结构件。进行了仿真和试验相结合的方法，发现冲击面编织铺层微结构对构件损伤行为和失效模式具有直接的影响规律。.3）根据纤维增强复合材料强烈的各向异型的本构特点，提出了基于梯度布置的编织复材增强结构设计思路，并针对板型、管型等不同结构件进行了性能验证。研究结果表明：通过对纤维增强体结构进行合理的梯度设计，设置不同的失效触发条件在破坏阶段有效调控损伤行为和失效模式。最终通过提高构件材料利用率来提升结构力学性能。.在本项目执行过程中，除上述的理论创新成果之外，项目组形成了编织装备样机以及相应的编织工艺软件包。同时，项目负责人获国家科技进步二等奖1项（第三完成人，2020），发表期刊论文31篇（其中SCI检索论文30篇），授权国家发明专利8件。