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ISBN: (纸本)9787534999185

关键词： 三维多轴向编织复合材料   缺陷   数值模拟   压缩疲劳性能   损伤演化  

摘要： 三维多轴向编织复合材料(3DMBCs)因面内具有多个方向纱线以及厚度方向纱线,可以有效提高复合材料离轴性能和层间性能,成为高承载复合材料结构件的理想增强体。对于同时承受多向压应力和循环疲劳应力结构件而言,压缩性能和压缩疲劳性能优劣成为其设计和应用的关键因素。 本课题采用五步法编织制备3DMBCs,首先测试复合材料多方向(0°、+θ°、-θ°和90°)静态压缩性能,探究复合材料静态压缩行为影响因素及失效机理。结合有限元模拟讨论制备过程中产生的各种缺陷对复合材料压缩性能影响权重。研究发现,复合材料压缩性能主要取决于沿压缩方向上纤维束力学性能和体积含量。通过比较不同缺陷类型数值结果,可以发现纤维断裂缺陷对复合材料压缩性能影响最大。当纤维断裂缺陷为25%时,复合材料压缩模量降低40%。7°波纹度缺陷可导致压缩模量下降27%。孔隙缺陷几乎不会对复合材料压缩性能产生影响。此外,通过将90°压缩载荷下复合材料渐进损伤过程与CT扫描破坏形貌对比,验证有限元模型有效性。基于数值模拟结果,建立考虑复合材料各构件力学参数的数学模型,用于预测3DMBCs压缩模量。 为了进一步研究不同缺陷对复合材料压缩疲劳性能和渐进损伤演化过程的影响,对比分析两种编织角度(31°、42°)3DMBCs在不同应力水平下沿0°和90°加载方向压缩疲劳行为。结果表明:小编织角3DMBCs在0°和90°方向上均具有更加优异力学性能。原因是波纹度缺陷和纤维断裂缺陷的力学性能弱化效应大于编织角增强效应。缺陷的存在会降低受损纤维极限应变,从而加速复合材料失效速率。随着缺陷含量增加会使复合材料突然失效时间缩短至少一倍,并加速刚度降低。应力水平增加将导致复合材料初始形变量和初始耗散能量增加。此外,不同加载方向会导致纱线分布发生变化,从而改变复合材料失效模式。沿厚度方向Z向纱线的存在可以延长复合材料疲劳周期,避免分层。 本课题结合实验和数值模拟对3DMBCs进行全面静态压缩性能评估和压缩疲劳寿命预测,分析制备过程中引入的缺陷对复合材料渐进损伤过程和失效速率的影响,以保证实际应用中部件使用可靠性和安全寿命,对3DMBCs在工程结构中的应用具有重要意义。

关键词： 编织复合材料   声发射   显微CT   聚类分析   损伤演化  

摘要： 复合材料具有比强度高、耐疲劳和抗腐蚀等优异的性能,被广泛应用在汽车、航空航天和船舶等诸多领域。二维编织复合材料编织制造工艺较为简单且成熟。由于二维三轴编织复合材料内部纤维束十分复杂,许多学者对其损伤演化规律进行了讨论。然而,针对其产生损伤的演化机制和可视化分析仍需进一步探究。因此,研究二维三轴碳纤维编织复合材料的损伤演化规律和失效机理有很重要的现实意义。本文利用声发射(AE)、数字图像相关(DIC)和显微CT(Micro-CT)技术对二维三轴碳纤维编织复合材料在外部载荷下的内部损伤进行联合表征,分析其损伤机理。并基于机器学习的方法,构建了编织复合材料的AE信号识别分类模型。最后建立了二维三轴碳纤维编织复合材料的多尺度宏细观模型,结合实验结果进一步佐证了其损伤演化机理。结果表明:1、二维三轴碳纤维编织复合材料的三点弯曲破坏研究结果表明:编织角度为45°的试件,其弯曲性能更为优异。在相同的弯曲载荷增量下,弯曲载荷大的试件应变场变化量较小。当试件接近破坏时,应变场变化最大。相比FCM算法和层次聚类方法,k-means聚类算法的结果更加优异。聚类分析和显微CT可视化结果表明,试件的损伤演化过程主要经历了基体开裂、纤维/基体脱粘和纤维断裂,但最终失效存在多种损伤机制。2、不同编织角复合材料的拉伸损伤渐近分析:编织角度为60°的复合材料试件承载能力最低。根据AE信号特征参数可知,编织角度越大的试件,产生高幅值和高持续时间信号的时间越早,累积撞击数快速上升的时间也更早。机器学习对AE信号的识别具有重要意义。AE信号分析结果表明,预测模型可以较准确地对AE信号进行预测分类。使用留出80%的数据用来进行预测模型训练的加权KNN算法具有更高的分类精度。这种模型是建立AE数据库和识别宏观损伤模式的有用工具。3、构建了二维三轴编织碳纤维复合材料的宏细观有限元模型,利用本文的有限元模型得到的材料力-位移曲线,与实验曲线的拟合度较好,并结合实验过程佐证了编织复合材料的内部损伤演化行为,验证了所建损伤模型的合理有效性。AE、DIC和显微CT三种技术的结合可以更好地分析二维三轴编织碳纤维复合材料的内部损伤演化机理和失效模式,提高其结果的准确性和可信度,为现实中二维三轴编织复合材料的联合监测提供参考。

关键词： 陶瓷基复合材料   高温   变幅疲劳   计算机层析成像   细观结构识别  

摘要： 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMCs)具有耐高温、抗腐蚀、密度低、可设计性强等优点,是突破先进航空发动机性能瓶颈最有潜力的高温材料。我国已具备CMCs复杂结构件的制造能力,但仍没有被广泛应用。这主要是由于对CMCs在高温空气环境下变幅疲劳失效机理和寿命预测方法研究不深入,缺少变幅疲劳寿命分析方法。 开展了1000℃空气环境下小复合材料和编织复合材料的拉伸、等幅疲劳和变幅疲劳试验,分析了高温空气环境对于材料拉伸性能的影响,揭示了加载顺序、循环数量、载荷差值对于Si C/Si C变幅疲劳性能的影响,获得了疲劳条件下迟滞特征随循环数的演化趋势。通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)观察试件失效断口,分析了材料的细观失效模式。 建立了1000℃空气条件下Si C/Si C小复合材料的力学性能预测模型。发展了一种变幅疲劳条件下基于迟滞模量的界面剪应力计算方法,并建立了界面磨损模型;提出了纤维强度随循环数的退化模型;基于X射线计算机断层扫描(X-ray Computed Tomography,简称XCT)图像建立了Si C/Si C小复合材料的细观结构表征方法,并提出了孔隙的不均匀程度计算方法。在此基础上,结合界面消耗长度及基体开裂模型,预测了小复合材料在高温空气环境下的本构响应、剩余强度及变幅疲劳寿命,寿命预测结果与试验结果相比散度小于4倍,剩余强度预测结果误差小于7.3%。 提出了2D/2.5D/3D编织CMCs基于XCT图像的三维模型构建方法。对于高分辨率的XCT图像,通过分析图像纹理特征,采用结构张量/稠密光流法实现了不同编织结构内部纱线的初步分类,提出了基于多视图/误分类特点的像素类别自动修正方法,建立了纱线实时跟踪及标号方法,实现了2D/2.5D/3D编织Si C/Si C材料XCT图像的细观结构识别。针对低分辨率XCT图像,通过分析图像几何特征,结合传统的计算机视觉与深度学习算法实现了2.5D编织C/Si C材料XCT图像的细观结构分类。进一步地,基于识别结果建立了上述编织材料的三维模型及有限元模型,整个流程自动化程度高。 提出了一种用于预测编织Si C/Si C材料力学性能的多尺度分析方法。通过分析不同编织结构的XCT图像,建立了2D/2.5D/3D编织Si C/Si C的理想代表体元(Representative Volume Element,简称RVE)模型。建立了编织Si C/Si C材料多尺度应力-应变分析方法,基于XCT图像的材料模型及RVE模型中的纱线力学特性采用本文提出的小复合材料细观力学模型来描述,通过渐进损伤分析方法预测了不同类型编织材料的本构响应。结果表明基于XCT图像的材料模型的预测精度均明显高于RVE模型。进一步地,建立了编织Si C/Si C材料多尺度疲劳性能分析方法,实现了2D编织Si C/Si C材料的等幅和变幅疲劳寿命预测,且预测结果与试验结果相比散度小于4倍。

关键词： 纤维艺术   数码编织   人机关系   织机   当代感受力  

摘要： 当代数码编织艺术是与新的技术紧密结合的一种纤维艺术新形态。通过现代数字化技术,数码编织艺术家将传统编织艺术创造性地发展成一种连接科技多样性与人类当代感受力的艺术媒介与艺术表现。今天,编织艺术正日益与不同学科进行交流,融合不同领域的技术语言。编织者与织机之间错综复杂的历史与现实关系正是本文研究的缘起。论文以“从手作到数码编织——纤维艺术中的‘人’与‘机器’”作为研究主题,从编织技艺的起源到当代纤维艺术的发展中不断变化的人机关系,分析编织者与织机之间在“技”的变革与“艺”的诞生中不断衍生出来的复杂性,探索在当代纤维艺术的语境以及数字时代的背景下数码编织艺术将“技”与“艺”集合为一体的意义。第一章“织机与技艺”,通过回溯编织技艺的起源与手工编织时期的历史,梳理编织者的身体与织机的相互关系。第二章“编织者与织机的‘战争’”,讨论编织者与织机的人机矛盾中,尤其以工业革命为背景探讨编织者身份的分化,并阐述在艺术与手工艺运动中编织作为手作艺术的特殊价值。第三章“编织者与织机‘矛盾’中的转机”,主要聚焦于两个时期:包豪斯学院时期以及纤维艺术运动初期。旨在分析编织艺术家们如何通过“去功利化”的思想与探索,重新定义织物的艺术价值,重新定位织机的“功能”意义。第四章“织机与数字技术的通用‘语言’”,重点研究贾卡尔提花织机与计算机的历史渊源,探索编织的“技”、“艺”同数字技术逐步相互结合的过程。第五章“共生——数码编织与编织艺术家”,结合具体的案例分析,论述当代编织艺术家在创作中如何通过数字化技术探索与“机器”共生共存的关系,进而创造性发展出一种连接科技多样性与人类当代感受力的当代纤维艺术。

关键词： 三维编织复合材料   多尺度仿真   波纹夹芯板   水下爆炸  

摘要： 三维编织复合材料因纤维束具有空间网状自锁结构的特点,具有优异的抗冲击和抗分层能力,在航空、航天和舰船等领域的运用十分广泛。针对三维编织复合材料水下抗爆性能设计是众多研究者关心的问题,关系到碳纤维复合材料在军用舰船领域的进一步的广泛应用。随着计算机技术的高度发展,通过数值模拟研究材料在爆炸载荷下的动态响应已成为一种普遍的研究手段,但是目前的模型大多为宏观模型,不能考虑到细观结构对材料力学性能的影响,而构建全尺寸的细观模型又需要庞大的算力,不利于工程推广。基于多尺度分析的思路,对复合结构进行从细观到宏观的数值计算,可以节约研发成本,加快设计速度。本文对三维编织结构复合材料建立了从微观层面到宏观层面的完整仿真流程,针对三维编织复合材料内部真实的细观结构进行建模并计算得出宏观均匀化工程常数,进一步构建一体化编织复合材料波纹夹芯板冲击仿真模型,研究其在水下爆炸载荷下的动态响应和损伤特征。本文的主要研究内容如下:(1)通过对三维四向编织复合材料制作工艺的研究,在1×1四步法工艺的基础上,得出了纤维束空间运动的轨迹和规律,使用了Tex Gen软件编写了细观模型的Python脚本,实现了参数化建模,建立不同编织参数下的三维四向编织复合材料的细观胞元模型。(2)使用Abaqus有限元软件建立三维四向编织复合材料胞元的有限元模型,通过编写Vumat子程序,对细观结构的纤维束赋予合适的材料属性,并引入了三维Hashin和Hou的失效准则研究纤维束强度性能,得到了其应力-应变曲线,另外通过对RVE模型添加周期性边界条件,最终得到了三维四向编织复合材料的宏观力学性能。(3)建立三维四向编织复合材料波纹夹芯板的宏观模型,进行夹芯板的水下爆炸数值模拟,详细分析了波纹夹芯板水下爆炸下的动态响应过程和波纹夹芯板的破坏损伤模式。通过与等质量实体钢板进行对比,得到了碳纤维复合材料在水下爆炸载荷下的响应特点,之后通过设置不同结构参数的波纹夹芯板,深入分析了波纹板结构参数对水下抗爆性能的影响。本文的研究通过微观-细观-宏观多尺度仿真的方式,有效预测了不同编织参数下三维四向编织复合材料的刚度和强度参数,比较分析了不同结构参数对其力学性能的影响,得出了轴向和横向拉伸的应力应变曲线,分析了RVE模型的应力分布情况,在此基础上对三维编织复合材料波纹芯结构的抗水下爆炸性能进行了数值模拟,分析研究了夹芯板在水下爆炸载荷下的动态响应和失效模式,结果表明夹芯结构相较等质量的实体钢板有更高的弯曲刚度能够有效抵御爆炸冲击波导致的结构的大变形,但是在高强度爆炸冲击下,夹芯前后面板会出现明显的脆性破坏。本文还研究了夹芯板结构参数对抗爆性能的影响,发现通过改变波纹夹芯板的结构参数可以有效提高其抗爆性能。综上所述,本文的研究对编织复合材料夹芯板的结构设计起到了一定的指导作用,可为三维编织复合材料在水下舰船的推广应用提供参考。

摘要： 藤编主要以藤枝、藤芯或竹为骨架，然后用藤皮或幼嫩的藤芯编织而成，充分发挥藤条柔软、不易折断的特点。在色彩上，藤编大多采用原藤的浅黄色，或加工、漂白为白色、象牙色,显得柔和典雅,有些则配以咖啡色、棕色等。藤编家具以粗大的藤条为骨架，经钉架，再用藤皮、藤芯编织而成，最后上油漆或上色。

ISBN: (纸本)9787102090566

关键词： 三维编织Cf/Al复合材料   真空压力浸渗工艺   振动疲劳   失效机理  

摘要： 三维编织C_f/Al复合材料具有较高的比强度、比模量、耐冲蚀、低密度和良好的高温力学性能,是汽车工业、机械制造、化工纺织、航空航天等领域的理想材料,将它应用到航空发动机冷端上,代替传统的合金,可实现对部分重要结构件的减重,实现发动机推重比的提高。为确保三维编织C_f/Al复合材料在航空发动机上的安全使用,故开展三维编织C_f/Al复合材料疲劳性能的研究。本文以三维编织C_f/Al复合材料试样和叶片为研究对象,通过真空压力浸渗工艺制备;阿基米德排水法测得复合材料致密度介于95%～99%,致密程度较高;通过对复合材料宏观和微观形貌的观察,发现纤维与基体结合紧密,纤维间排布均匀,除碳纤维与基体间存在少量的夹杂和浸渗微孔外,无明显缺陷;复合材料内物相组成除了Al、C外,还出现了部分高温反应产物Al3Mg2和少量Al4C3,元素分析发现复合材料中含有部分Mg元素;DR无损检测结果表明,试样和叶片的纤维分布均匀、清晰,内部预制体结构完整,高温制备时未出现明显损伤,未发现明显夹杂、缩孔、裂纹等缺陷。安装配重块后试样的固有频率介于96～135 Hz,传递率稳定,实验时试样振幅稳定,实验更易控制。配重块的安装降低试样的固有频率,延长实验时间,降低了复合材料疲劳损伤累积速率,防止疲劳实验时材料温度过高带来的力学性能变化,且通过应力标定实验,将其影响考虑在实验设计中。通过公式推导出等截面悬臂梁试样的振幅与应力呈正相关,采用最大点应力值与对应位移峰峰值按最小二乘法进行曲线拟合,获取监测点振幅和应变标定关系。通过升降法对三维五向C_f/Al复合材料试样进行振动疲劳实验,完成目标循环次数1×10～7时,试样的中值疲劳强度为168 MPa,疲劳极限介于160～180 MPa之间。通过对试样的频率归一处理,得到试样在振动疲劳实验过程中的损伤情况:低应力下,开始时试样损伤较快,随着循环次数的累积,频率最终稳定,试样的内部损伤达到饱和;高应力下,试样内部损伤演变较快,内部损伤也会持续发展,直到试样出现破断。DR无损检测结果表明:振动疲劳后复合材料试样应力最大区域和振动自由端的纤维束均未发现明显损伤、纤维束排列均匀、规律,但在夹具夹持端由于长时间的挤压,部分纤维束出现散乱。振动疲劳实验后试样的宏观和微观形貌表明:部分试样出现宏观裂纹、纤维束松散,试样正面出现“网状”纤维裸露;基体部分出现多处微裂纹,纤维束松散,基体-增强体界面脱粘严重,部分纤维出现断裂。三维编织C_f/Al复合材料叶片完成目标循环次数3×10～7下的振动疲劳性能:通过动态信号测试分析系统寻找最大应力区域,应力在叶身和叶底连接处的边缘R角附近较集中;扫频获取叶片的一阶固有频率在300 Hz左右,开展标定实验,分别在固定载荷和升载条件下进行两组叶片名义应力下的振动疲劳实验;实验过程中,叶片的当前位移峰峰值基本在锁定位移峰峰值上下波动,名义应力80 MPa内叶片基本都能完成目标循环次数,升载条件下,名义应力越大,叶片越难达到目标循环次数。通过叶片宏、微观形貌、DR无损检测结果发现叶片的裂纹主要萌发于叶底与叶身连接处,且由表面基体合金率先损伤并不断向内扩展,直至叶片失效。由叶片频率随循环数变化呈现多段规律变化,可知三维编织C_f/Al复合材料叶片的疲劳失效机理也呈现多段变化。

关键词： 针织面料   垂面串套   结构模拟   工艺设计   有限元仿真  

摘要： 多层纬编面料可通过结构设计来实现或强化其功能,在双面纬编织物中,衬入不编织的纬向纱线可增加织物的层数和厚度,如果衬入中间纱缺少握持或有限握持,纱线就会易于抽拔。为有效改善这类织物的抗抽拔及抗勾丝性能,使处于中间层的填充纱线在织物的垂直方向串套,形成一定的间隔长度,从而实现真正意义上的三维针织物。本文设计了垂面串套的三维纬编针织结构,对所设计的结构进行计算机模拟,实现了此类面料结构的清晰表达。改进双面大圆机成圈机构,设计垂面串套的多层纬编面料编织工艺,以实现此类面料的上机编织和测试,利用有限元分析方法,对此类面料的力学性能分析研究。使用3ds Max软件的NURBS曲线模拟中心路径,圆形模拟纱线截面,实现了单元线圈、常用针织物和垂面编织串套的多层纬编结构三维模拟,模拟结果能较好展示垂面编织串套结构的空间串套关系及三维形态。为面料结构认知提供了依据,从三维模拟结果可以看到,该结构面料具备良好的抗勾丝和抗起毛起球等性能。选择垂面三线串套纬编织物为研究对象,为实现织造垂面三线串套面料,需要改进双面大圆机成圈系统,设计织造工艺并织造垂面三线串套织物,测试该织物和双面间隔织物的相关性能,测试结果表明垂面三线串套织物的抗勾丝、抗起毛起球、保暖、透气性和断裂拉伸力学性能均优于双面间隔织物。垂面串套的纬编织物可视需求进行垂面纱线数量的设置,来实现更多层数的面料,且有垂面线圈串套的握持,是真正意义上的三维针织物。以垂面三线串套纬编针织物为研究对象,旨在探究其力学性能。从单胞线圈结构出发,计算各自线圈的几何参数,构建线圈中心线,利用Rhino软件建立垂面三线串套结构三维模型,将理论计算问题转换为软件应用问题。通过ABAQUS有限元软件建立单胞线圈拉伸模型和垂面三线串套织物拉伸模型,分别模拟单胞线圈和垂面三线串套织物的纵、横向拉伸试验过程,在微观和宏观角度下,分析垂面三线串套织物拉伸过程中应力、应变的变化。对垂面三线串套织物拉伸试验进行分析,验证模拟结果的有效性,模拟值和实验值的误差在8%以内,可以比较准确的预测垂面三线串套织物力学性能。