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摘要： 在学校南楼二楼的走廊里，展示着许多精美的照片，照片里是我们学校编织社团的优秀作品。我五年级时就被这些照片吸引住了，于是便申请加入了编织社团。最令我难忘的是，刚入社团的第一节课，我走进教室第一眼看到的是一个用稻草编织的巨大雄狮，威武中又带着一些童趣。我心里不禁感叹，编织竟然也能做出这样大而精致的作品。

关键词： Science \u0026 technology   woodhead  

ISBN: (数字)9780443186035 ISBN: (纸本)9780443186028

摘要： There has been a major resurgence of braiding in worldwide manufacturing and new testing technologies using imaging processes are now being employed. This has allowed significant findings and a better understanding of braided materials. The Handbook of Advances in Braided Composite Materials, Second Edition extensively reviews the properties, design, and manufacturing, testing and next generation applications of braided composite materials. Following the introductory chapter and the opening topic of working with the enclosed composite apps, Part One discusses manufacturing processes and advanced testing of braided composite materials. Part Two then looks at predicting properties and designing braided composite materials, including mechanics for braided composite materials such as micromechanics, macromechanics and ply mechanics. Advances in 2D and 3D modeling, as well as design of braided composite materials, are also covered. Finally, Part Three provides information on the applications of Next Generation braided composite materials. These topics consist of shape memory composites, nanostructures in braids, electrospinning, braidtrusion and green braids. The book presents up-to-date technology developments and recent research findings, along with an android and IPhone App to support design criteria, which is available via an online open source platform provided by the editor. Industrial manufacturers of braided composites, academic researchers working in the design and development of braided composites, professional engineers and postgraduate students will find this book an essential read. Covers new developments in advanced testing methods and imaging technologyPresents new findings in manufacturing and material propertiesDiscusses new developments in sustainable green braided composites, and in 3D braiding

ISBN: (纸本)9787522908588

关键词： 静电纺包芯纱   聚乳酸   有机硅季铵盐   抗菌   编织  

摘要： 微纳米复合纤维通过引入纳米材料或纳米结构具有特定的性能和功能,但其制备成本昂贵,工艺复杂。将抗菌高分子基纳米复合纤维与传统纱线相结合具有易加工、抗菌性能优异、力学性能强等特性,在医疗和保健领域表现出巨大的应用前景。本课题采用聚乳酸这一可降解又具备生物相容性的聚合物,通过静电纺丝技术将有机硅季铵盐抗菌剂与其结合,制备出了具有高效抗菌性能的可生物降解微纳米纤维包芯纱。再通过编织结构来增强其力学性能,开发出了新一代具有生物相容性、可降解的抗菌手术缝合线,该手术缝合线的开发为新型抗菌手术缝合线的研究提供了新的思路。 首先本研究基于静电纺丝技术对不同质量分数的聚乳酸纺丝液进行纺丝并进行形貌表征,分析电镜图得出纺丝液最佳质量分数为12wt%。通过控制变量法和单因素分析法改变静电纺工艺参数,分别探究了不同推进速度、不同收卷转速以及不同转筒转速对聚乳酸静电纺包芯纱的影响。结合电镜测试、力学性能测试结果和包覆率测试结果得出,纺丝液的最佳推进速度为0.5 m L/h、最佳收卷转速为0.7 rpm、最佳转筒转速为600 rpm。 然后采用优化后的静电纺纱工艺,以聚乳酸长丝为芯纱,用聚乳酸/有机硅季铵盐微纳米纤维进行包覆来制备抗菌包芯纱。测试结果表明,聚乳酸抗菌微纳米纤维包芯纱形貌规整且有机硅季铵盐在其壳层中分布均匀,而且有机硅季铵盐的加入不会使微纳米纤维包芯纱的玻璃化转变温度和冷结晶温度发生显著变化。力学性能测试结果显示,随着有机硅季铵盐质量分数的增加,断裂伸长率会有不同程度的提高,但同时会使其断裂强度有不同程度的下降。另外,有机硅季铵盐含量的增加会导致包芯纱包覆率的下降。根据抗菌测试结果可知,添加0.1wt%及以上的有机硅季铵盐的聚乳酸微纳米纤维包芯纱对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到90%以上。综合以上可得,添加0.3wt%有机硅季铵盐抗菌剂的聚乳酸微纳米包芯纱整体性能最优,其对大肠杆菌的抑菌率在94.49%左右,对金黄色葡萄球菌的抑菌率在94.00%左右。 最后通过菱形编织结构和规则编织结构来增强聚乳酸芯纱的力学性能,采用X射线显微镜对制备得到的包芯纱内部结构进行探索,结果显示采用菱形编织结构的包芯纱体积占有率为72.45%,采用规则编织结构的包芯纱体积占有率为63.16%。通过改变编织工艺,探究不同编织角对包芯纱力学性能的影响,测试结果表明编织能有效增强纱线的力学性能,编织角越大,纱线的断裂伸长率越大,断裂强度越小。

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： 碳/酚醛复合材料   三维编织结构   烧蚀行为   高温力学性能   数值模拟  

摘要： 新一代航天飞行器对热防护系统(TPS)提出了兼顾耐烧蚀性能和高温力学性能的苛刻要求。近年来,碳/酚醛复合材料因其优异的耐高温性能和高残碳率而成为TPS的重要候选材料。然而,在愈发苛刻的服役条件下,传统碳/酚醛层合复合材料容易发生界面剥离,进而导致烧蚀剥落,严重影响了最终强度。具有空间多向网络交织构型的三维编织结构为高承载-低烧蚀热防护材料的开发提供了切实可行的途径。然而,三维编织复合材料内部纤维传热路径变化多样,导致编织结构与烧蚀机理及高温力学性能映射规律尚不清晰。因此,深入研究碳/酚醛三维多向编织复合材料的烧蚀特性和高温力学性能,阐明烧蚀机制和高温失效机理,将对新型TPS的开发具有重要的工程应用价值。本文以新型高超音速飞行器防热舱为需求牵引,设计并制备了碳/酚醛三维多向编织复合材料。通过试验和数值模拟相结合的方法,着重开展烧蚀机理、模型重构和高温力学行为等研究,以期为高超音速飞行器防热舱材料抗烧蚀-承载-隔热一体化设计和应用提供数据和方法支撑。本文主要研究内容及结论如下: (1)以硼改性酚醛树脂和国产T800S碳纤维为原材料,选用三维五向(3D5d)和三维六向(3D6d)编织结构,并采用树脂传递模塑(RTM)工艺,成功制备了两种不同编织结构的碳/酚醛三维多向编织复合材料。基于此,利用微计算机断层扫描技术(Micro-CT)采集材料内部图像,并通过Image-J提取纱线形态参数,完成了碳/酚醛三维多向编织复合材料单胞模型的重构。结果表明,所建立的3D5d和3D6d复合材料单胞模型与Micro-CT图像吻合良好,为后续数值模拟碳/酚醛三维多向编织复合材料的常温/高温力学性能和损伤演化提供了有力支撑。 (2)围绕两种不同编织结构的碳/酚醛三维多向编织复合材料,均开展了30 s和60s的氧乙炔烧蚀试验,并结合Micro-CT、傅里叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等表征技术,获取了试样的烧蚀率、表面及内部的烧蚀形貌及元素特征。结果表明,相较于其它增强体结构,三维多向编织结构能够更好地固定纱线和基体,减少了高速气流对表面基体的机械侵蚀,展示了优异的抗烧蚀性能。同时,三维多向编织复合材料的烧蚀表现出明显的结构效应:60 s烧蚀环境下,3D6d复合材料的线性烧蚀率和质量烧蚀率分别比3D5d复合材料对应值降低了11.6%和13.9%,但是3D5d复合材料的隔热性能要优于3D6d复合材料。重要的是,六向纱可以在横向(Y)上传导热流,诱使热流更容易沿平面(X-Y)向外扩展,导致60 s烧蚀环境下3D6d复合材料在不同区域的裂纹体积分数都要低于3D5d复合材料。 (3)以碳/酚醛三维多向编织复合材料为研究对象,搭载声发射(AE)和数字图像相关技术(DIC),开展了常温(25℃)和高温(200℃)环境下的拉伸、三点弯曲力学行为研究,揭示了温度和结构与材料力学行为和损伤机制的关联机制。结果表明,碳/酚醛三维多向编织复合材料具有明显的温度效应和结构效应。其中,200℃下3D5d和3D6d复合材料的拉伸强度分别比25℃下降低了7.72%和5.91%,弯曲强度分别比25℃下降低了15.63%和21.95%。常温下,碳/酚醛三维多向编织复合材料失效主要以纱线断裂和基体碎裂为主,而高温环境下,试样的损伤机制转变为界面脱粘、分层和基体裂纹。 (4)基于构建的3D5d和3D6d复合材料细观单胞模型,考虑组分材料热膨胀系数差异和高温下力学性能退化,采用包含Hashin准则、Von-Mises准则和连续损伤模型的UMAT子程序,预测了材料在25℃和200℃环境下的拉伸力学性能及渐进损伤行为。结果表明,试验结果和数值模拟预测的刚度、强度最大误差都在7%以内,且损伤形貌和应力-应变曲线均吻合良好。在拉伸模拟中,基体率先出现损伤,纱线的损伤则沿编织纱扩展。同时,高温试样相较于常温试样具有更大的断裂应变,高温下基体和纱线的损伤进一步加剧。此外,3D5d复合材料损伤集中在单胞两侧,而3D6d复合材料损伤主要集中于六向纱附近。

ISBN: (纸本)9787572513787

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： 环形编织   编织角   动态编织模型   轨迹规划   芯轴牵引  

摘要： 环形编织作为生产纤维增强复合材料的重要环节,其编织质量直接影响着最终产品的质量。编织角是影响编织体性能的主要结构参数,其大小可通过调整芯轴牵引轨迹、牵引速度及编织机转速来控制。现有的编织角控制方式以开环控制为主,难以对编织误差做出及时响应。在使用异形芯轴,或目标编织角发生变化时,编织角容易出现波动。基于上述背景,本文提出了一种面向环形编织的编织角控制策略,并通过设计集成化环形编织控制平台,对所提控制策略进行了测试和应用。 首先,提出了一种基于动态编织模型的芯轴牵引轨迹规划算法。针对异型芯轴编织问题以及变目标编织角编织问题,通过分析编织暂态过程中收敛区状态的变化规律,建立动态编织模型,在规划芯轴牵引轨迹以及牵引速度时,充分考虑由芯轴形状变化以及目标编织角变化引起的编织状态波动,提高所生成轨迹的准确性,加强对编织角的控制能力,改善编织效果。 其次,提出了一种基于曲线扩展特征函数的牵引轨迹采样算法。通过分析轨迹的空间变化特征和速度变化特征,构建轨迹的扩展特征函数,并以此为基础自适应调整采样点的分布密度,在采样点数量相同的情况下提高采样质量。同时,提出了一种基于编织角预测的牵引速度在线优化算法。通过测量编织角误差,估计收敛区实际状态,修正编织模型,进而利用修正后的模型预测编织角变化趋势,优化芯轴牵引速度,实现编织角的闭环控制,从而提高其抗扰动能力,减小编织角误差。 此外,设计并实现了环形编织控制平台,为所提控制策略的测试和应用提供支持。平台以编织角控制为核心,兼具编织体结构设计、模拟编织与三维演示、设备在线控制等功能。通过仿真预测编织效果,减少对试编织的依赖。由计算机控制机械臂,代替人工示教,降低人为误差。实现环形编织完整流程的一体式管理,提高设计生产效率。 最后,通过实验分析了所提控制策略的编织角控制精度。使用桨叶形异形芯轴,设置恒目标编织角及变目标编织角等多个场景,比较了本文方法与现有控制方法的性能。实验表明,使用本文方法后,编织角最大误差和均方根误差均得到下降。目前,环形编织控制系统已在合作企业投入试运行。

关键词： 动态静电吸附   软材料   气体驱动   有限元仿真  

摘要： 静电吸附是由电场引起的两个表面之间的静电吸引效应。静电吸附技术具备适应性强、结构和控制简单、低能耗和可实现无损吸附的独特优势,已在机器人末端执行器、爬壁机器人和可穿戴设备等领域广泛应用。静电吸附力是静电吸附技术的一个关键指标,通过建模和实验的方法,对静电吸附力影响因素的系统性研究与分析至关重要。由于电介质极化存在介电弛豫,静电吸附是一个有时间依赖性的动态过程。然而,大多数已有的理论模型和有限元仿真模型都是基于静态静电吸附建立的,忽略其是一种固有的动态现象。目前关于实验验证的考虑界面极化的动态静电吸附力理论模型研究仍不完善,也缺少动态静电吸附的有限元仿真模型。静电吸附结构不仅需要吸附平面物体,而且需要适形贴合并吸附曲面物体。针对上述问题,本文提出动态静电吸附机理与气动可变形静电吸附结构研究,具体内容如下: 基于静态静电吸附力理论模型,分析电介质极化的形式和机理,结合德拜模型近似描述动态极化,建立动态静电吸附力理论模型,使用点匹配法数值计算动态静电吸附力。基于多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics建立平面静电吸附结构的力电耦合模型,厘清输入电压和结构参数对其吸附力的影响,为可拉伸静电吸附结构的有限元仿真奠定基础。 设计平面静电吸附结构的形状和尺寸,探究不同的电极制备方法,搭建动态静电吸附力表征平台。测试不同基底材料制备的静电吸附结构在通电不同时间后与玻璃表面的脱附力,将实验动态静电吸附力变化曲线与理论结果和有限元仿真结果相互佐证。 与可拉伸软材料相结合的可变形静电吸附结构可以实现适形吸附。选取同心圆作为可拉伸静电吸附结构电极形状,气体驱动结构至不同曲率,搭建实验平台测试结构不同曲率下通电不同时间的动态静电吸附力。对可拉伸材料进行单轴拉伸测试,拟合应力应变曲线得到材料参数并应用到有限元模型中,仿真结果和实验结果的一致性验证了仿真模型建立的合理性和正确性。