三維六向錐管形預(yù)制件細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究

李靜東，蔣 云，李嘉祿

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

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三維六向錐管形預(yù)制件細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究

李靜東，蔣 云，李嘉祿

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

研究了逐步全減細(xì)纖維束工藝，并利用該工藝實(shí)現(xiàn)了三維六向錐管形預(yù)制件的制備。通過(guò)分析纖維束的運(yùn)動(dòng)走向和位置分布，獲得了錐管形預(yù)制件的6種單胞；根據(jù)不同單胞結(jié)構(gòu)，將預(yù)制件分為5個(gè)區(qū)域，針對(duì)5個(gè)分區(qū)的不同單胞，逐一構(gòu)建幾何模型，從而得到各部分纖維束在單胞中的排列與分布規(guī)律，可視化地表征了逐步全減細(xì)纖維束預(yù)制件的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)。研究成果為預(yù)制件幾何尺寸和纖維體積百分含量的計(jì)算奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為三維六向錐管形預(yù)制件的研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。

逐步全減細(xì)纖維束工藝；三維六向錐管形預(yù)制件；內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)；可視化表征

0 引言

三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、不易分層等一系列優(yōu)點(diǎn)，已成為先進(jìn)復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料還具有優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性，一次成型復(fù)雜構(gòu)件，減少二次加工量，通過(guò)改變預(yù)制件纖維束數(shù)量和編織角來(lái)達(dá)到理想結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[1]。三維編織可制備矩形塊狀、圓管[2]或錐管形[3]等截面形狀，也可整體制成其他多種異形截面[4]。高性能三維編織復(fù)合材料是發(fā)展航空、航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)和耐熱結(jié)構(gòu)件的理想材料[5]。

三維六向錐管形復(fù)合材料構(gòu)件在幾何形狀方面有一定要求，一般采用不同纖維束陣列的圓形制備工藝[6]。對(duì)于尺寸較大、性能一致性要求高的錐管構(gòu)件，采用傳統(tǒng)等截面纖維束制備工藝，將存在無(wú)法避免的性能梯度效應(yīng)[7-10]，應(yīng)用受到影響。為充分發(fā)揮三維結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)點(diǎn)，尋找合理的三維六向制備技術(shù)，是工程研究必須面對(duì)的課題。

目前，錐管形三維六向預(yù)制件制備與應(yīng)用研究報(bào)道并不多[11-12]。為正確預(yù)測(cè)減細(xì)纖維束三維六向錐管形預(yù)制件的結(jié)構(gòu)性能，必須對(duì)其內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究，建立細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化制備工藝和整體結(jié)構(gòu)性能。

1 三維六向錐管形預(yù)制件制備工藝

1.1 三維六向預(yù)制件結(jié)構(gòu)

三維六向結(jié)構(gòu)是在三維五向結(jié)構(gòu)的每個(gè)單元中增加與第五向垂直方向的纖維束所獲得的預(yù)制件結(jié)構(gòu)形式。一般可通過(guò)在三維五向預(yù)制件成型平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)陣列中橫向引入纖維束獲得。三維六向結(jié)構(gòu)的第六向纖維束可視為是在三維五向結(jié)構(gòu)的垂直方向增強(qiáng)，織物具有結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、力學(xué)性能更好的特點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)研究，某航天飛行器熱防護(hù)復(fù)合材料構(gòu)件采用三維六向錐管形預(yù)制件作為增強(qiáng)相，獲得了良好的使用效果。

1.2 三維六向錐管形預(yù)制件制備工藝

三維六向錐管形預(yù)制件可在三維五向圓形設(shè)備上制造。通過(guò)特定的工藝設(shè)計(jì)，在三維五向設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)第六向纖維束的固定。因此，三維六向錐管形預(yù)制件的制備工藝與三維五向工藝加工方法基本相同，只是在設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，須考慮第六向纖維束對(duì)三維五向預(yù)制件內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的影響。

當(dāng)錐管形預(yù)制件由大端向小端成型時(shí)，要解決在保持結(jié)構(gòu)和性能基本不變的情況下，使預(yù)制件尺寸均勻減小，而纖維體積百分含量保持基本不變。作者曾系統(tǒng)研究了各種減紗工藝[13]，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)對(duì)比，減細(xì)纖維束制備工藝能夠滿足三維六向錐管形預(yù)制件外形尺寸和纖維體積百分含量的設(shè)計(jì)要求。

2 三維六向錐管形預(yù)制件的減細(xì)纖維束工藝

2.1 錐管形預(yù)制件減細(xì)纖維束工藝思想

三維預(yù)制件是基于攜帶纖維束的錠子，在設(shè)備上按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)程序不斷變化相互間位置，從而使纖維束互相交織，沿預(yù)制件長(zhǎng)度方向形成預(yù)定結(jié)構(gòu)。預(yù)定結(jié)構(gòu)的形狀尺寸除由運(yùn)動(dòng)程序決定外，還取決于纖維束的粗細(xì)。假設(shè)纖維束的截面尺寸可根據(jù)預(yù)制件截面尺寸的改變而改變，那么變截面的制備就會(huì)變得簡(jiǎn)單易行。然而，工業(yè)化生產(chǎn)的纖維束都是等截面的，均勻改變截面尺寸幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但可通過(guò)設(shè)計(jì)，在一定位置對(duì)纖維束進(jìn)行等量減細(xì)(每次減細(xì)的纖維束細(xì)度相同)工藝操作。如三維四向、五向和三維六向錐管形預(yù)制件可采用此技術(shù)方案，參加運(yùn)動(dòng)的錠子都會(huì)至設(shè)備的最外側(cè)。此時(shí)，可對(duì)外側(cè)纖維束實(shí)施等量減細(xì)操作，攜帶減細(xì)纖維束的錠子改變運(yùn)動(dòng)方向后，向設(shè)備的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。三維六向錐管形預(yù)制件纖維束根據(jù)需要采用多束合股設(shè)計(jì)，在制備過(guò)程中，可進(jìn)行減細(xì)操作，從而實(shí)現(xiàn)錐管形截面不斷減小，而纖維體積百分含量又滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。

2.2 三維六向錐管形預(yù)制件減細(xì)纖維束工藝

分析錐管形預(yù)制件制備工藝過(guò)程得到如下結(jié)果：制造設(shè)備上，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)錠子都會(huì)由設(shè)備的最外側(cè)順時(shí)針(或逆時(shí)針)地一步步斜向運(yùn)動(dòng)到設(shè)備最內(nèi)側(cè)，再?gòu)淖顑?nèi)側(cè)順時(shí)針(或逆時(shí)針)地一步步斜向運(yùn)動(dòng)到設(shè)備最外側(cè)。也就是每一個(gè)錠子都會(huì)運(yùn)動(dòng)到設(shè)備的最外側(cè)，只是時(shí)間先后不同而已，如圖1所示。圖中，“●，○”表示運(yùn)動(dòng)紗錠；“×”表示不參加運(yùn)動(dòng)的第五向固定紗錠；“—”表示第六向纖維束運(yùn)動(dòng)軌跡。除最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)錠子外，處于每個(gè)軸向固定纖維束錠子周?chē)?個(gè)運(yùn)動(dòng)錠子，有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，位于同一圈上的運(yùn)動(dòng)錠子按同一轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，位于同一列上的運(yùn)動(dòng)錠子按同一方向(向內(nèi)或向外)運(yùn)動(dòng)穿過(guò)設(shè)備。因此，在任一時(shí)刻，設(shè)備上同時(shí)存在著4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的錠子：順時(shí)針向內(nèi)運(yùn)動(dòng)；順時(shí)針向外運(yùn)動(dòng)；逆時(shí)針向內(nèi)運(yùn)動(dòng)；逆時(shí)針向外運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。圖中，a錠順時(shí)針向內(nèi)；b錠順時(shí)針向外；c錠逆時(shí)針向內(nèi)；d錠逆時(shí)針向外；“×”表示不參加運(yùn)動(dòng)的軸向固定紗錠；“→”表示第六向纖維束運(yùn)動(dòng)方向。

圖1 三維六向錐管形預(yù)制件某紗錠運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of the trajectory of a spindle in 3D 6-Directional cone tube preform

圖2 錐管形預(yù)制件某固定紗錠B周?chē)?4個(gè)運(yùn)動(dòng)紗錠運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of four movable spindles around a fixed spindle B in the cone tube perform

而第六向纖維線沿圓周方向分步進(jìn)行：根據(jù)需要控制引入纖維線密度，每完成一個(gè)編織循環(huán)(二步或四步)進(jìn)行?？煞謩e獲得如圖3(a)所示的全陣列六向纖維線陣列，即四步法中每2步穿1次緯纖維，且每個(gè)間隔均布纖維線，簡(jiǎn)稱(chēng)全陣列三維六向編織工藝；圖3(b)為半陣列六向纖維線陣列，即完成四步法中的所有步驟穿1次緯纖維，且每個(gè)間隔均布纖維線，簡(jiǎn)稱(chēng)半陣列三維六向編織工藝；圖3(c)為交錯(cuò)陣列六向纖維線陣列，即完成四步法中每2步穿1次緯纖維，只間隔布置一半陣列，完成四步法中，其余2步再穿1次緯纖維，與前一次布置位置錯(cuò)開(kāi)，簡(jiǎn)稱(chēng)半陣列三維六向編織工藝。

設(shè)定每一個(gè)錠子的纖維束都由更小單位的纖維束合股而成，當(dāng)某錠子運(yùn)動(dòng)至設(shè)備最外側(cè)時(shí)，減去其中1股纖維束，讓其繼續(xù)向設(shè)備的內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，它攜帶的較細(xì)纖維束與從內(nèi)側(cè)向外側(cè)運(yùn)動(dòng)的未減細(xì)的纖維束相遇，組成結(jié)構(gòu)單元，從而形成了帶有減細(xì)纖維束的單元。未減細(xì)的錠子當(dāng)運(yùn)動(dòng)至最外側(cè)時(shí)，也被減去一部分纖維束，并繼續(xù)從最外側(cè)向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，可能與從內(nèi)側(cè)向外側(cè)運(yùn)動(dòng)的未減細(xì)的纖維束相遇，也可能與從內(nèi)側(cè)向外側(cè)運(yùn)動(dòng)的已減細(xì)的纖維束相遇，組成其他形式的結(jié)構(gòu)單元，如圖4所示。

圖3 第六向纖維束的不同陣列Fig.3 Different arrays of the 3D 6-directional fiber bundle

圖4 預(yù)制件纖維束軌跡及其減細(xì)過(guò)程Fig.4 Fiber bundle trace and reducing process of the preform

上述減細(xì)纖維束的三維六向錐管形預(yù)制件的纖維束截面不斷改變，預(yù)制件的截面和單胞尺寸也會(huì)隨之改變。確定制備工藝的錐管體在不同軸向高度未減細(xì)纖維束與減纖維束所占比例不同，其單胞幾何結(jié)構(gòu)和在同一高度橫截面上具有確定的分布規(guī)律。

3 減細(xì)纖維束三維六向錐管形預(yù)制件單胞構(gòu)造

為方便研究，結(jié)合實(shí)際的三維六向預(yù)制件的具體情況，進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)運(yùn)動(dòng)纖維束可看成隨單元幾何形狀變化的折線鏈，如圖5所示；

(2)預(yù)制件軸線為一直線，打緊平面為垂直于預(yù)制件軸線的相互平行的平面簇；

(3)預(yù)制件制備過(guò)程中，打緊力均勻；

(4)預(yù)制件中纖維線形狀相互擠壓發(fā)生變形，但纖維線的橫截面積不變；運(yùn)動(dòng)纖維束橫截面形狀等效視為可變六邊形(如圖6所示)，第五向及第六向纖維束截面可等效為可變四邊形形狀(如圖7所示)；

(5)所有運(yùn)動(dòng)纖維束至最外層后，減去相同粗細(xì)纖維束，即采用逐步全減細(xì)纖維束工藝。

圖5 三維編織物中單根纖維束鏈?zhǔn)侥Ｐ虵ig.5 Chain mode of a single fiber bundle in 3D braided perform

圖6 織物單胞幾何結(jié)構(gòu)中4根編織纖維束Fig.6 Four braiding fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

圖7 單胞幾何結(jié)構(gòu)中的第五向及 第六向纖維束Fig.7 The fifth and sixth fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

3.1 采用全減纖維束工藝的三維六向錐管形預(yù)制件區(qū)域劃分

根據(jù)具有代表性的單胞幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維束是否減細(xì)和減細(xì)數(shù)量對(duì)預(yù)制件進(jìn)行區(qū)域劃分，除表面單胞外，不考慮纖維束橫截面積的內(nèi)部單胞幾何結(jié)構(gòu)的纖維束交叉方法，與其相鄰單胞具有數(shù)學(xué)意義上的對(duì)稱(chēng)關(guān)系(反射對(duì)稱(chēng)和平移對(duì)稱(chēng))。

根據(jù)不同纖維束組合結(jié)果，對(duì)三維六向錐管形預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分(圖8)：未減纖維束區(qū)、未減纖維束與減纖維束過(guò)渡區(qū)、逐步減纖維束區(qū)、逐步減纖維束與完全減纖維束過(guò)渡區(qū)和完全減纖維束區(qū)。

圖8 三維六向錐管預(yù)制件區(qū)域劃分Fig.8 Zone division of 3D 6-Directional cone tube preform

3.2 三維六向錐管形預(yù)制件區(qū)域纖維束交織結(jié)構(gòu)及單胞幾何結(jié)構(gòu)

(1)未減纖維束區(qū)

在該區(qū)域中，4個(gè)不同方向的起始運(yùn)動(dòng)和第五、六向纖維束交叉成為圖9(a)所示的基礎(chǔ)微單胞結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)微單胞的對(duì)稱(chēng)變換，獲得與其相鄰的微單胞，如圖9(b)所示。相鄰的4個(gè)基礎(chǔ)微單胞組成大單胞結(jié)構(gòu)，預(yù)制件中兩者的關(guān)系，如圖9(c)所示。三維六向錐管形預(yù)制件未減纖維束區(qū)是由這些纖維線交織方法類(lèi)似，但體積隨坐標(biāo)變化而變化的微單胞構(gòu)成。纖維束采用橫截面相同的組合纖維束組成。面部單胞與傳統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)相同，這里不再贅述。

(a) 基礎(chǔ)單胞A (b) 基礎(chǔ)單胞的XOY

(c) 大單胞幾何結(jié)構(gòu) (d) 單胞相鄰關(guān)系

根據(jù)最外側(cè)全減細(xì)纖維束工藝的逐步實(shí)施，未減纖維束區(qū)基礎(chǔ)微單胞在徑向的數(shù)量逐一遞減。

(2)未減細(xì)纖維束與減細(xì)纖維束過(guò)渡區(qū)

在未減纖維束區(qū)與減細(xì)纖維束區(qū)交界處，沿軸向有一列單胞過(guò)渡區(qū)，如圖10所示。

圖10 未減細(xì)與減細(xì)纖維束工藝過(guò)渡區(qū)Fig.10 Transition zone of non-thinning and thinning fiber bundles

沿圓周方向，每個(gè)微單胞中有1根減細(xì)纖維束，如圖11所示。減細(xì)纖維束為周向減細(xì)首次進(jìn)入預(yù)制件內(nèi)部的同向纖維束。

圖11 工藝過(guò)渡區(qū)相鄰2種結(jié)構(gòu)單胞Fig.11 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

(3)逐步減纖維束區(qū)

在逐步減細(xì)纖維束區(qū)，每個(gè)單胞中有2段減細(xì)纖維束，微單胞幾何結(jié)構(gòu)有2種，如圖12所示。每個(gè)單胞中，有2根起始纖維束和2根減細(xì)纖維束。

逐步減纖維束區(qū)在三維六向錐管形預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)中，呈軸剖面為三角形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所有單胞中，減細(xì)纖維束方向由預(yù)制件外側(cè)向預(yù)制件內(nèi)側(cè)傾斜，如圖13 所示。

圖12 逐步減細(xì)纖維束區(qū)2種結(jié)構(gòu)單胞Fig.12 Two kinds of micro unit cell structure in gradually thinning fibers zone

圖13 三維六向錐管預(yù)制件逐步減細(xì)纖維束區(qū)幾何結(jié)構(gòu)Fig.13 The geometric structure of the gradually thinning fibers zonein 3D 6-Directional cone preform

(4)逐步減細(xì)纖維束與完全減細(xì)纖維束過(guò)渡區(qū)

在逐步減纖維束與完全減纖維束交界處，有一層過(guò)渡區(qū)單胞，如圖14所示。

圖14 逐步減細(xì)與完全減細(xì)纖維束過(guò)渡區(qū)Fig.14 Transition zone of gradually thinning fibers and completely thinning fibers

該區(qū)域單胞幾何結(jié)構(gòu)有2種，如圖15所示。每個(gè)單胞中有1根原始纖維束，3根減細(xì)纖維束。

(5)完全減細(xì)纖維束區(qū)

纖維束全減細(xì)后，預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)單胞如圖16所示。

圖15 過(guò)渡區(qū)相鄰2種幾何結(jié)構(gòu)單胞Fig.15 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

圖16 三維六向錐管預(yù)制件完全減紗區(qū)Fig.16 Completely thinning fibers zone in the 3D 6-Directional cone tube preform

預(yù)制件在完全減纖維區(qū)纖維束全部為減細(xì)纖維，軸向固定纖維及第六向纖維橫截面積不變，只發(fā)生幾何形狀變化。

3.3 全減纖維工藝三維六向錐管形預(yù)制件幾何結(jié)構(gòu)特征

采用逐步全減纖維束三維六向制備工藝，可設(shè)計(jì)幾何尺寸改變，而其他性能基本一致的三維六向錐管形預(yù)制件。根據(jù)纖維束組合方案不同，將錐管形預(yù)制件沿軸向(預(yù)制件編織成形方向)分為5個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)呈現(xiàn)不同的環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)。在不同的區(qū)內(nèi)，有2種結(jié)構(gòu)不同但具有對(duì)稱(chēng)性的相鄰單胞，并在同一區(qū)內(nèi)周期性重復(fù)(不包括其性能重復(fù))。不同區(qū)域的單胞減細(xì)纖維束的根數(shù)不同，從錐管形預(yù)制件大端到小端分區(qū)中減細(xì)纖維束的根數(shù)依次為0、1、2、3和4。隨減細(xì)纖維束根數(shù)的遞增，不同區(qū)域單胞中交織方式不變，單胞的幾何尺寸發(fā)生變化。在打緊狀態(tài)一致的情況下，單胞體積隨減細(xì)纖維束根數(shù)的增加呈遞減趨勢(shì)。通過(guò)調(diào)整編織花節(jié)的大小，即可對(duì)預(yù)制件的幾何尺寸和纖維體積百分含量進(jìn)行較精確的設(shè)計(jì)。表1列出了錐管形預(yù)制件區(qū)域劃分及對(duì)應(yīng)區(qū)域中不同單胞的幾何結(jié)構(gòu)特征。

表1 錐管預(yù)制件分區(qū)及對(duì)應(yīng)不同分區(qū)單胞幾何結(jié)構(gòu)的特征Table 1 Zone division of cone tube perform and the characteristics of geometrical structure of unit cell in different zone

4 結(jié)論

(1)對(duì)三維六向錐管形預(yù)制件的單元結(jié)構(gòu)研究得到，采用逐步全減纖維束工藝的錐管形預(yù)制件，可根據(jù)纖維束是否減細(xì)和減細(xì)數(shù)量不同，分為未減纖維束區(qū)、未減纖維束與減纖維束過(guò)渡區(qū)、逐步減纖維束區(qū)、逐步減纖維束與完全減纖維束過(guò)渡區(qū)和完全減纖維束區(qū)。各個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)不同的環(huán)狀幾何結(jié)構(gòu)，不同的區(qū)域纖維束交織狀態(tài)未發(fā)生變化，但各個(gè)區(qū)域單胞中減細(xì)纖維束的根數(shù)不同，導(dǎo)致錐管形預(yù)制件在不同區(qū)域單胞體積發(fā)生變化，從而滿足了構(gòu)件的幾何形狀要求；針對(duì)5個(gè)分區(qū)的不同單胞，逐一構(gòu)建幾何模型，從而得到各部分纖維束在單胞中的排列與分布規(guī)律，為預(yù)制件幾何尺寸和纖維體積百分含量計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

(2)本文研究了三維六向錐管形預(yù)制件在外側(cè)逐步全減細(xì)纖維束技術(shù)，且只論述了在預(yù)制件外側(cè)減細(xì)一次的纖維束減細(xì)工藝。在預(yù)制件尺寸變化較大時(shí)，可考慮二次減細(xì)或多次減細(xì)，還可采取非均勻減細(xì)等方法，以滿足預(yù)制件幾何尺寸和密度變化等方面的要求，這部分工作還有待今后進(jìn)一步研究。

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(編輯：薛永利)

Microstructure research of 3D 6-directional cone tube preform

LI Jing-dong, JIANG Yun, LI Jia-lu

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The gradually whole thinning fiber-bundles process was investigated, and this process was used to prepare 3D 6-Directional cone tube perform. By analyzing the movement and position of the fiber-bundles, six kinds of unit cells of the preform were acquired. According to the different structures of unit cells, the preform was divided into five zones. Several geometric models were constructed step by step for different unit cell in five zones. The rule of arrangement and distribution of the fiber bundle in unit cell of different zones were obtained. The inner microstructures of cone tube preform with gradually whole thinning fiber-bundles were visually characterized. The research lays the foundations for the analysis of geometrical dimensions and calculation of fiber volume percentage for the preform. At the same time, the research provides theoretical guidance for the research of 3D 6-Directional cone tube perform.

gradually whole thinning fiber-bundles process；3D 6-directional cone tube preform；inner microstructure；visually characterized

2015-01-05；

：2015-06-07。

李靜東(1972—)，副教授，研究方向?yàn)槿S編織結(jié)構(gòu)。E-mail:lijingdong @tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)06-0882-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.025