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关键词： 经编   紧密纺棉纱   编织性能   有限元分析  

摘要： 短线纱中使用的天然纤维以棉毛等为基础,是一种天然可持续发展的绿色原料。棉纱经编产品具有保暖性好、亲肤、柔软和吸湿透气好等性能,获得大众的青睐,开始在家纺类、装饰配件和服装等领域推广,然而短纤纱自身强力低、毛羽多、延伸性差和成本较高等问题,在经编编织过程中易断纱,致使机速难以达到正常水平,让短纤纱在经编中的开发应用中受阻,从而也限制了经编织物向多样化、高档化的发展。目前,从事对纺织产品性能评估的设计人员,经过产品选材、机器试纺、上机试织再到产品性能测试,主要是根据以往同品种材料性能相似原理和设计者积累的经验,评估棉纱的基本性能在整个送经编织过程中否满足产品的上机要求,这一过程不仅耗时较长,工序复杂难以操作,且用工损耗较大,还有环境变化带来的未知因素和人为操作的不确定性等问题。因此,本课题为应对棉纱在经编中遇到的应用问题,主要对紧密纺棉纱在高速经编生产过程中的拉伸断裂强力和毛羽数量变化进行分析,通过对比实验结果,分析不同紧密纺棉纱经过不同经编机件和不同组织结构的性能变化,基于ABAQUS三维仿真有限单元法,提出一种能够有效预测紧密纺棉纱在经编编织过程中拉伸断裂力学性能的理论方法,依据紧密纺棉纱纱线材料特性,完成经编编织过程中纱线基本力学性能的初步预测,能够达到降低试样成本、节约资源、减少试验周期的目的。 首先,本课题主要介绍了紧密纺棉纱的相关实验以及紧密纺棉纱在经编行业中推广与应用。归纳了目前紧密纺棉纱在经编编织过程中的劣势,结合国内外纺织领域中对有限元应用的实践成果,本课题在此基础上进一步深入研究。先是在高速经编机上进行实验测试,分别采用11.6 tex、9.7 tex和7.6 tex不同细度紧密纺棉纱完成送经、垫纱、成圈等加工过程,再通过改变上机编织的组织结构1-0/1-0//、1-0/1-2//和1-0/2-3//,利用电子绕纱器分别从经编机的盘头、分纱筘、导纱针和成圈部位等四处取样,对纱线棉结微观形貌分析研究。 其次,通过改变不同紧密纺棉纱、不同组织结构和不同经编机件,在经编编织动态过程中收集测试样品,对经编编织过程中紧密纺棉纱损伤机理进行研究分析。实验对比同组织不同细度紧密纺棉纱断裂强力和毛羽指数变化可知,紧密纺棉纱断裂强力全部减小,不同细度之间有所不同,而毛羽数量先增加再减少;对比同细度不同组织紧密纺棉纱性能变化可知,经过分纱筘之后,不同组织结构之间损伤有了较小的变化,经过导纱针和成圈部位之后,不同组织结构之间棉纱断裂强力损伤差距明显,而根据不同组织结构的毛羽变化可知,针背横移越大,棉纱张力越大,对毛羽的影响越大,其中1-0/1-0//组织毛羽数量变化最大,1-0/2-3//组织毛羽数量变化最小,成圈部位是成圈运动过程中对紧密纺棉纱断裂强力和毛羽指数影响最大的。在编链组织中,垫纱运动的方向也会影响捻度大小,与棉纱自身捻度同向时,会对棉纱产生一个加捻的力度,致使捻度增加,当力度与棉纱自身捻度相反时,会产生解捻的力度。再利用电子显微镜观察紧密纺棉纱微观形貌变化,可知成圈运动过程中纱线张力越大,摩擦导致毛羽脱落越多,棉结越容易形成,断纱频率越高;从断裂截面可知,因棉纱受瞬时张力和棉纱之间摩擦影响,造成棉纱外层出现层层断裂的现象,中间滑移抽拔纤维数量增加。 最后,本课题根据紧密纺棉纱微观形貌特征,以及内部复杂结构,计算几何结构参数,利用ABAQUS软件建立紧密纺棉纱等比模型,将实验计算问题转化为软件应用问题,模拟紧密纺棉纱拉伸断裂损伤过程,将有限元模拟得到的应力-应变分布与MTS测试的负荷-伸长率实验结果进行对比,两者数值基本一致,在误差范围内;再进一步模仿经编编织过程,紧密纺棉纱在成圈运动中与经编机件接触,对紧密纺棉纱受到的损伤机理进行研究分析,再与实际编织过程中所受到的影响进行对比,发现两者实验结果趋势基本一致。结果表明,通过有限元软件,模拟紧密纺棉纱在经编编织过程中运动形态,进一步验证了计算机有限元软件模拟数值结果的可靠性,证明可以使用该方法预测紧密纺棉纱性能是否具有上机编织的条件。

关键词： 自润滑衬垫   磨损响应   智能材料   摩擦学性能  

摘要： 衬垫型自润滑轴承的外圈粘接浸渍后的自润滑织物,目前仍广泛应用于航空/工程机械等领域。衬垫型自润滑轴承的主要失效形式为衬垫磨损。目前,自润滑衬垫的磨损量检测主要是拆卸后通过人工检测。这种检测方式不仅耗费人力,而且检测结果受人为经验影响较大。同时,通过人工的检测方式不能实时了解自润滑轴承的磨损状态。一旦在服役时自润滑衬垫失效,将直接导致自润滑轴承的损坏。随着设备智能化的发展,对关键运动节点磨损状态监测提出了智能化的要求,智能化自润滑衬垫的制备已经成为了目前行业内的关注焦点。本文提出了一种智能自润滑衬垫的制备方法:使用原位聚合法在芳纶纤维和PTFE纤维编织的自润滑织物表面合成导电聚苯胺,通过向聚合物中添加导电填料的二次浸渍工艺制备智能自润滑衬垫,并开展了智能自润滑衬垫的摩擦学性能和磨损响应性能研究。制备的智能自润滑衬垫在满足摩擦学性能的同时,可以通过阻值在线监测的方法实时响应自身的磨损情况。主要研究内容有: (1)通过向自润滑织物的浸渍液中掺杂导电无机物的方式制备自润滑衬垫,研究了自润滑衬垫的摩擦学性能,以及监测阻值和磨损量的关系。 (2)探究了自润滑织物表面原位合成导电高分子聚合物的方法制备导电聚苯胺-自润滑织物方法,并得到了最佳工艺参数。 (3)利用掺杂导电无机物的自润滑衬垫在磨损中的阻值规律,形成了导电自润滑织物的二次浸渍工艺,对原位合成导电聚苯胺的自润滑织物进行二次浸渍制备智能自润滑衬垫,并探究智能自润滑衬垫的摩擦学性能以及监测阻值和磨损量的关系。 研究结果表明:通过掺杂无机导电聚合物制备的自润滑衬垫能够形成良好的导电网络,二次浸渍工艺使得聚苯胺-自润滑衬垫表现出更明显的阻值响应特性。通过自润滑衬垫阻值监测曲线和磨损量变化曲线发现监测阻值的大小和磨损量之间呈现高度相关性。通过扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱仪验证了不同磨损时刻自润滑衬垫的阻值变化的原因。

摘要： 纳迪亚·穆罕默德正在她面前的织布机上用绿色的线织挂毯。不远处，棕榈树的树枝层层叠叠，鸽子飞向它们棕色的鸽舍。“你在这项工作上投入的时间和精力越多，它给你的回报就越多。”这位60岁的老人在工作时说。穆罕默德和拉姆西斯·维萨·瓦瑟夫艺术中心的其他织女一样，在11岁时就开始学习这门手艺，这门手艺也塑造了她的生活。“我们在这里的时间比在自己家里的时间还多。”

关键词： 磁性纤维   立体编织复合材料   GMI效应   有限元计算   结构健康监测  

摘要： 立体编织复合材料因其质量轻、强度高以及设计灵活等优点,在航空、航天等工程领域有着广泛的应用。然而在长期服役过程中,复杂多变的环境可能会导致其结构的内部损伤,从而造成安全隐患,因此,对结构进行健康监测成为确保其长期安全运行的关键。磁性纤维尺寸小,且在受到外加直流磁场和应力时,表现出较为迅速的响应灵敏性,在复合材料健康监测方面具有重要的应用价值。因此,本文以立体编织复合材料的健康监测为背景,通过实验和有限元分析相结合的手段,探索应力对嵌入立体编织复合材料中的磁性纤维阻抗的影响规律。本文的主要研究内容如下: 首先,基于磁性纤维的巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应,建立磁性纤维的多物理场有限元模型,探索不同应力条件下磁性纤维阻抗的响应特性及激励电流频率对其趋肤效应的影响;建立磁性纤维的立体编织复合材料有限元模型,探索外部应力作用下,磁性纤维应力-阻抗响应特性。有限元分析结果表明,随着频率的增加,趋肤效应增强;随着外部应力的增加,磁性纤维的阻抗呈现先增大后减小的趋势,并在一定应力阈值后趋于稳定。 其次,根据四步法三维五向编织工艺,编织了含有磁性纤维的三维五向编织预制体。接着,通过真空辅助树脂传递模塑(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)工艺,将预制体与环氧树脂进行浸渍固化,制备了包含单根及多根磁性纤维的立体编织复合材料试件。 最后,搭建阻抗测试实验平台,系统研究应力对磁性纤维立体编织复合材料阻抗的影响规律。测试了单根磁性纤维立体编织复合材料在特定磁场强度和不同激励电流频率下阻抗随外加载荷的变化规律。实验结果表明,在激励电流频率为10 MHz/15MHz/20 MHz时,磁性纤维阻抗随外加载荷的增加表现为先增后减,最后趋于稳定的趋势;实验进一步验证了磁性纤维阻抗随激励电流频率增加而增大的现象,与有限元分析结论一致,证明了有限元分析的可靠性。在单根磁性纤维嵌入立体编织复合材料阻抗随应力变化规律的基础上,研究了多根磁性纤维以并联的方式嵌入立体编织复合材料的应力-阻抗关系。研究结果表明,多根磁性纤维的阻抗值小于单根磁性纤维的阻抗值,从而增强了GMI效应。 本文从单根磁性纤维入手,揭示了外加应力对其阻抗的影响规律,在此基础上,探索了单根及多根磁性纤维嵌入立体编织复合材料时,应力对其阻抗的影响规律,这一研究对未来在航空航天等领域中开展有效的结构健康监测具有重要的实践意义。

关键词： 航空编织软管   动力学特性分析   疲劳损伤   脉动载荷   随机振动试验  

摘要： 航空编织软管是一种由聚四氟乙烯内管、钢丝编织增强层及连接件组成的高性能柔性软管,常作为飞机中燃油、滑油等高压介质的输送管路,是飞机液压系统的重要组成部分。随着新一代飞机“超机动大型化”及“高速高压高功重比”的发展趋势,使管路系统的机载载荷更加严酷、机载环境更加恶劣,对编织软管的结构设计、动力学性能以及其它方面都提出了更高的要求。因此,本文开展适航载荷下的编织软管动力学特性分析,主要研究内容如下: (1)在动力学基础方程上,采用改进Bouc-Wen迟滞模型,推导弯曲变形下的编织软管弯曲迟滞力模型,建立编织软管系统弯曲振动运动方程。基于等效梁模型,对钢丝截面进行等效,通过参数方程控制运动轨迹进行建模,提高编织软管的实体建模精度。在ANSYS Workbench软件内,建立编织软管动力学有限元分析模型。 (2)分别研究流体压力及流体质量对编织软管模态数值的影响,分析结构的各阶模态振型;开展结构在谐振载荷、随机振动载荷下的动力学特性分析,对结构在随机振动下的疲劳损伤进行估算,为软管在适航载荷下的工程应用提供参考。 (3)改变软管的径厚比,研究径厚比对编织软管动力学特性的影响机制;采用Prony级数描述聚四氟乙烯内管的粘弹本构模型,改变环境温度场,在热应力仿真结果基础上,研究环境温度对编织软管动力学响应的影响机制;在单向耦合方式下,研究编织软管在脉动载荷下的动态响应特性,得到结构在脉动载荷下的振动衰减规律。 (4)开展编织软管组件模态试验研究,得到其各阶模态数值,通过与仿真结果对比,验证本文动力学有限元模型的正确性;开展随机振动试验研究,得到编织软管振动响应特性曲线,通过与仿真结果对比,验证本文动力学仿真流程的正确性。

关键词： 三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料圆管   扭转性能   热氧老化   失效机理   有限元分析  

摘要： 三维碳纤维编织复合材料圆管因内部纤维束交织呈现网状整体结构而具备较高强度、刚度和抗损伤能力。在大气热氧环境中圆管承受扭转是常见工况,例如各类车辆传动轴。研究三维碳纤维编织复合材料扭转载荷和热氧环境共同作用机理有助于设计具有高强度和耐疲劳的工程结构件。本文旨在发现三维碳纤维编织复合材料圆管扭转失效机理,探讨热氧老化对扭转性能影响规律,揭示编织角度与热氧老化对扭转性能综合影响,用于设计具有图高扭转强度和抗热氧老化的三维碳纤维编织复合材料管件。 本文主要工作是: (1)三维碳纤维编织复合材料圆管制备、老化处理及形貌观测。采用三维四步编织方法和真空辅助树脂转移模塑技术制备碳纤维/环氧树脂三维编织复合材料圆管,管件编织角分别为30°、45°和55°。采取加速热氧老化方法处理试样,老化条件设定110℃和180℃两个老化温度及8天、16天和32天三个老化时间。采用光学显微镜观测复合材料表面颜色、横截面形貌变化,计算材料老化前后质量差异。 (2)圆管扭转测试、应变和损伤分布表征。采用CTT1503型扭转试验机测试扭转性质,测试条件选择扭转角控制方式,扭转速度6°/分钟。采用三维数字图像相关系统追踪管件表面剪切应变演化,分析表面应变分布与编织结构相关性。结合微型计算机断层扫描技术重构失效管件三维视图,揭示扭转损伤空间分布。使用高速摄影设备观察管件扭转测试过程,分析渐进损伤机理及失效形态。 (3)圆管扭转空间应力与失效模式。建立宏观-细观等效混合模型和全尺寸细观结构模型。计算复合材料圆管扭转失效过程,分析空间应力分布、损伤起始及扩展,揭示扭转失效机理。考虑热氧老化所致基体降解和界面性能弱化因素,计算热氧老化后圆管扭转失效形态,比较老化前后扭转性质,分析热氧老化对扭转性能影响规律。通过改变模型结构参数,计算热氧老化后不同编织角度圆管扭转过程,揭示热氧老化和编织角度对扭转性能耦合效应。 研究发现: (1)扭转失效宏细观结构机理。宏观扭矩-扭转角曲线、剪切应力-剪切应变曲线线性增长,无屈服阶段。应变分布对应编织结构周期,低应变出现在纱线上,高应变则集中在纱线边缘和交织间隙富树脂区域。细观应力分布取决于增强结构,代表性单胞中应力分布顺序为内单胞>外面单胞>内面单胞,纱线在单胞交界处经历应力跃变,断裂风险增加。纱线交织点是应力集中主要区域,成为纱线断裂和扩展薄弱处。平行于扭转方向拉伸应力和垂直于扭转方向压缩应力同时作用,两者应力差异累积触发扭转初始损伤。初始损伤由高应变树脂富集区域出发,沿着纱线交织点同时在厚度和编织方向上扩展。扭转损伤空间分布呈螺旋式,具备轴向对称性、局部限制性和周向取向性特点。纱线断裂是管件扭转失效关键因素。界面损伤是管件扭转失效主要内容,影响应力有效传递。损伤扩展倾向于沿着扭转方向,在扭转垂直方向受到抑制。 (2)圆管热氧老化后扭转性能降解规律。110℃老化时,外观仅呈现微黄色变化,界面未出现老化裂纹;180℃老化时,外观由黄色逐步加深为黑褐色,界面裂纹由离散分布至高度饱和。老化后,180℃质量下降率约为110℃的7倍。老化过程中扭转力学持续弱化,力学性能保留率与老化时间成反比。相同老化周期内,180℃扭转弱化程度大于110℃。老化前期(8天)弱化速率大于老化中后期(8～32天)。老化不改变损伤沿编织方向交织点螺旋扩展的失效模式,损伤形态随老化条件变化而不同:110℃时,老化时间越长,单一断裂路径衍生出更多树脂开裂、脱落损伤;180℃时,基体损伤严重,纱线变形程度增大,损伤区域拓宽,纤维束抽拔、断裂增多。温度对热氧老化过程中材料形貌、质量、扭转力学性能降解的影响大于时间。 (3)编织角度与热氧老化对扭转性能综合影响。对于编织角,测试发现扭矩和应变顺序为45°>55°>30°,剪切应力和模量顺序为45°>30°>55°。45°编织方向与加载方向一致,扭转强度最大。老化后,各编织角扭转力学大小规律不变。老化降解效应与编织角度呈负相关,55°编织角力学性能保留率更高。30°编织方向接近圆管轴线,纱线之间相互作用弱,纱线应力小且变化幅度大,纱线与树脂应力差异较小;45°编织方向与加载方向协同作用,应力最大;55°编织方向与圆管轴线夹角增大,纱线之间相互制约,应力变化幅度小,纱线与树脂应力差异增大。损伤角度与编织角度一致,不受老化影响。编织角越小,损伤体积占比越大。老化加速初始扭转损伤发生且加剧损伤传播,55°编织角抵抗老化所致损伤扩展效果明显。 本文研究三维碳纤维编织复合材料圆管扭转性能,采用实验和有限元分析方法研究扭转损伤机理及热氧老化效应,为设计和制造长期服役于大气热氧环境扭转工况的编织复合材料管件结构提供理论指导。

关键词： EMAA   低速冲击   自修复   缝合复合材料   缝合参数   多尺度建模  

摘要： 碳纤维/树脂基复合材料是一类具有高性能特性的复合材料,因其出众的力学性能、优异的轻质和高刚度特性,在航空航天、军事船舶以及汽车等高端领域得到了广泛应用。然而,在实际应用中,这类复合材料可能会遭遇外部物体的低速冲击,易于引发层间断裂或其他类型的隐形内部损伤,这种损伤不易被直接观察到,但会显著削弱材料的结构完整性和使用寿命。本文通过在平纹编织复合材料预浸料的厚度方向引入缝线,旨在增强复合材料的抗冲击性能。由于平纹编织复合材料在损伤后面临更换成本高昂和修复困难的问题,本文采用了热塑性材料乙烯-甲基丙烯酸聚合物EMAA(Ethylene-co-Meth Acrylic Acid)作为缝合材料,引入到平纹编织复合材料之中,以在其内部形成三维自修复通道。通过在模压成型机中进行加热处理,成功制备出具有自修复功能的试件。但在EMAA缝线缝入的过程中,会造成平纹编织复合材料内部结构的改变,这导致了复合材料面内性能甚至面外性能一定程度的下降。因此,需要找到合适的缝合参数,以提高EMAA自修复平纹编织复合材料板的抗冲击性能和自修复性能。 首先,通过双螺杆机器制备EMAA缝线,按照一定的间距缝入平纹编织复合材料预浸料中。对缝合后的预浸料在模压成型机内进行分阶段固化成型,制备EMAA自修复平纹编织复合材料板。对制备后的EMAA自修复平纹编织复合材料板分别在10 J、15 J和20 J能量下进行低速冲击试验,随后对一次冲击后的试件进行自修复。 其次,本文通过观察EMAA自修复平纹编织复合材料板的结构,建立起了微观-细观-宏观多尺度数值模拟模型。在微观尺度上,根据碳纤维纱线的真实结构,构建微观单胞代表性单元(Representative Volume Element,RVE)模型,并计算出等效力学性能参数。在细观尺度层面,基于缝合后的EMAA自修复平纹编织复合材料结构,构建了细观单胞RVE模型。对细观RVE模型施加周期性边界条件和六种位移载荷,并基于微观RVE模型的力学性能参数,计算出细观RVE模型的力学性能参数。通过局部均匀化方法,将细观RVE模型转化为细观等效交叉层合板(Equivalent cross-ply laminate,ECPL)模型;在宏观层面上,由细观ECPL模型在平面上阵列得到EMAA自修复平纹编织复合材料板宏观分析模型。对冲头施加不同的冲击速度,来获得所需的冲击能量,以模拟EMAA自修复平纹编织复合材料板冲击过程。然后,提取EMAA自修复平纹编织复合材料板在不同能量下的冲击结果,并将多尺度数值模拟结果与其对比,验证了多尺度模型的有效性。 接着,将冲击后受损的试件,再次放入模压成型机中,在高温作用下,EMAA以熔融状态流入到受损区域,实现自修复。将修复后的试件再次在冲击试验机上进行冲击,提取冲击结果。为了模拟这一修复过程,对不同冲击能量下的宏观模型和计算结果进行预定义场设置,并将其赋予到冲击后的模型。分析损伤单元网格,进行材料属性替换,建立起修复后的EMAA自修复平纹编织复合材料板模型。然后基于修复后的模型,在相同能量下再次进行冲击,研究自修复作用的效果。结果表明:修复后的EMAA自修复平纹编织复合材料板模型和试验结果吻合较好,验证了多尺度模型的有效性。 最后,构建不同缝合参数的宏观冲击模型,以探究缝合参数对平纹编织复合材料板抗冲击性能和自修复性能的影响。对于不同缝合间距的EMAA平纹编织复合材料板宏观模型,结果表明:在一定缝合间距内,缝合间距越小,EMAA缝线对EMAA平纹编织复合材料板抗冲击性能和自修复效率提升越好;通过改变EMAA缝线缝合方向,发现45°缝合方向较0°缝合方向对EMAA平纹编织复合材料的抗冲击性能提升较大,但缝合方向对自修复效率几乎没影响;更换缝线材料为EAA,同样在15 J能量下进行冲击和自修复仿真模拟,结果表明:EMAA缝合后的平纹编织复合材料板较EAA缝合后的平纹编织复合材料板具有更好的抗冲击性能和自修复性能,这是因为EMAA材料较EAA材料有更好的机械性能和更好的流动性能;基于不同缝合间距数值模拟结果,对抗冲击性能和自修复效率进行缝合间距参数的联合优化,优化结果表明:当缝合间距设定为10.83 mm、缝合方向定为45°且采用EMAA作为缝线材料时,可得到最佳性能表现。

关键词： 体验   非物质文化遗产   青州府花边大套   联合分析法   编织工具  

摘要： 随着文化遗产活化工作的不断推进,各界都在探索实现非遗保护和传承的新模式,文旅融合下的非遗交互体验类项目成为助推遗产活化和实现非遗保护和传承的新模式。青州府花边大套作为众多非遗文化的缩影,其传承方式和活化模式存在滞后的问题。为解决这一问题,国家和地方政府相继出台了相关政策和实施方案,以期实现青州府花边大套传统工艺振兴目标。本课题以青州府花边大套体验式工具为研究对象,通过联合分析法对其设计要素进行分析,并提出有效的设计方法。以此来解决传统青州府花边大套体验形式滞后、体验工具不适性的问题,构建青州府花边大套遗产活化新路径,对青州府花边大套非遗文化的可持续发展具有紧迫的现实意义。 首先,本课题详细阐述了选题缘由与研究背景、研究目的及意义、研究创新点与框架,并对可持续发展、心流理论以及体验设计的相关理念进行细致的梳理。其次,基于对传统青州府花边大套体验模式和流程的整理,分析游客参与体验过程中的工具使用情况以及用户调查问卷的结果,提炼出青州府花边大套体验编织工具设计的要素特征,利用SPSS软件得出优化后的组合方式。然后,对组合方式进行实验数据的采集和分析,并采用全轮廓效用模型对组合方式进行筛选,得出设计的最佳偏好组合模型作为设计指导。最后,在设计原则和设计定位的基础上设计出一款通过交互方式辅助手工编织体验的工具,辅助体验者完成青州府花边大套的成品编织体验。设计实践完成后,对产品进行设计评估。 本课题通过对青州府花边大套的体验流程和体验工具进行了优化,解决当前青州府花边大套非遗传承和保护停滞不前的问题,为纺织类非遗的传承和发展提供了新的途径和思路。

关键词： 指尖密封   2.5D编织   C/C复合材料   多尺度建模   刚度特性  

摘要： 指尖密封作为一种基于刷式密封发展起来的新型柔性密封形式,具有低泄漏率、高性价比和长服役寿命的优良潜质,在航空发动机、燃气轮机等高速旋转机械设备领域具有良好的应用前景,近年来已成为动态密封领域的研究热点之一。但随着密封工况愈发复杂,指尖密封目前主要存在的问题为迟滞泄漏和摩擦磨损,金属指尖密封的磨损较为严重,C/C复合材料具有耐高温、耐磨损、良好的自润滑性等优异性能,其性能与指尖密封对材料的需求十分契合,2.5D编织C/C复合材料不仅具有C/C复合材料特有的性能,且较好地克服了平纹编织复合材料层间结合强度差的问题,鉴于指尖梁径向刚度直接关系到其迟滞泄漏和磨损两大指标,本文从多尺度角度出发对2.5D编织C/C复合材料指尖密封的刚度特性进行探究,为后续谋取低泄漏、低磨损的综合性能更优的指尖密封相关研究奠定基础。 首先,在微观尺度上建立单根纤维束微观单胞(RVE)模型,基于单胞模型对纤维束等效弹性参数进行预测;接着在细观尺度上建立纤维束编织结构细观单胞模型,以此探究了纤维束编织结构各参数之间的关系,并在ABAQUS中使用Python编程语言进行二次开发,设计了一款用于生成2.5D编织结构的插件,在此插件基础上构建出指尖片多尺度模型,并建立指尖梁模型用于后续研究。 其次,依据指尖密封片结构特点,将指尖梁沿周向分为四组,根据实际工况对每根指尖梁施加边界条件,并对其静态径向刚度进行有限元仿真分析,从而得到指尖梁径向刚度周向分布规律;接着基于曲梁挠曲率方程和指尖梁内部组分材料力学性能,建立了指尖梁径向刚度计算理论;最后设计了指尖梁径向刚度试验平台,将仿真、理论和试验结果相互对比验证,结果显示:以周向90°为一个周期,随指尖梁所处圆周角度的增大,其静态径向刚度呈现出先增大后减小的变化规律,刚度波动范围为:0～12.7N/mm。 最后,结合现有研究以正弦曲线位移激励来模拟转子对指尖梁的动态激励,探究了位移激励幅值和频率对2.5D编织C/C复合材料指尖梁动态径向刚度的影响,结果显示:指尖梁的动态径向刚度随着激励幅值或频率的增加而增大;接着考虑前后压差和后挡板摩擦力作用时,探究了不同激励参数下指尖梁的动态刚度力学特性,结果显示:相比仅考虑位移激励时,指尖梁动态径向刚度有所增大,但指尖梁动态刚度变化趋势与仅考虑位移激励时仍然相同。最后探究了指尖梁动态刚度周向分布特性,并与静态刚度相对比,结果显示:在该跨度内,相比静刚度,各指尖梁动态刚度均更大,增幅范围为0.5～7.53N/mm;但随指尖梁周向角度增大,其动态刚度亦是呈现出先增大后减小的变化趋势。