復(fù)合材料用織物成型性研究進(jìn)展

張　雪

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

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復(fù)合材料用織物成型性研究進(jìn)展

張雪

(青島大學(xué)紡織學(xué)院，山東青島 266071)

基于織物成型性的2種模型，即幾何模型和力學(xué)模型以及4種評(píng)價(jià)方法，即織物的剪切性能、懸垂性、半球成型性和拍照法，分析了織物在形成三維曲面過(guò)程中發(fā)生的受力和變形情況，對(duì)比分析了現(xiàn)有模型及評(píng)價(jià)方法的原理，指出其片面性，為今后建立更全面的織物成型性評(píng)價(jià)方法提供參考。

織物成型性模型剪切性懸垂性半球成型拍照法

近年來(lái)，由于紡織復(fù)合材料具有力學(xué)性能好、易于加工和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、輪船、航空航天、建筑等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，且從原來(lái)的非承力結(jié)構(gòu)件應(yīng)用擴(kuò)展到承力結(jié)構(gòu)件應(yīng)用。但是，作為這類產(chǎn)品一般形狀不規(guī)則。因此，織物用作復(fù)合材料增強(qiáng)體，要求具有較好的成型能力。

作為紡織復(fù)合材料的增強(qiáng)體，織物主要有二維平面織物和三維立體織物。三維立體織物包括三向正交和三維角聯(lián)鎖織物，可以直接制成復(fù)合材料所需的形狀，但生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，成本較高，而且制品的尺寸會(huì)受機(jī)器的限制。二維平面織物由于生產(chǎn)工藝成熟，成本低廉，在復(fù)合材料增強(qiáng)體方面得到廣泛應(yīng)用。本文主要討論二維平面織物的成型性。

織物成型性[1]是指在一定外力作用下，織物無(wú)褶皺形成某種特定形狀的能力。復(fù)合材料制品的可加工性一定程度上取決于作為增強(qiáng)體的織物的成型性。織物變形[2]，成為三維立體形狀，纖維的取向、排列等都會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化，影響制品的使用效果。因此，研究織物的成型性具有非常重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于織物成型性的研究已經(jīng)有很多，重點(diǎn)集中在成型性模擬、成型原理的分析及成型性的試驗(yàn)方法等方面。創(chuàng)建了兩種廣泛使用的模型，包括幾何鋪覆和力學(xué)有限元模型。從研究方法方面入手，可以歸納為四種方法。下面主要就從織物成型的模擬模型和織物成型的研究方法來(lái)總結(jié)織物成型性的研究進(jìn)展。

1　織物成型模擬模型

目前，對(duì)于織物的成型過(guò)程主要有兩種應(yīng)用較為廣泛的模型，分別是幾何鋪覆和力學(xué)有限元模型。

1.1幾何模型

幾何模型是將連續(xù)纖維進(jìn)行線性排列所形成的織物覆蓋在一個(gè)任意形狀的表面上形成的[3]。大多以運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，重點(diǎn)考慮織物成型的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，不考慮成型過(guò)程中的中間狀態(tài)以及織物的力學(xué)性能，只需要纖維的幾何狀態(tài)、材料的規(guī)格以及模具的幾何形狀，可以通過(guò)數(shù)值分析法精確求解[4]，計(jì)算量小。

Mack和Taylor[5]發(fā)表的銷釘鉸接模型最為常見(jiàn)。此模型包含三個(gè)假設(shè)，一是織物是由不可伸長(zhǎng)的垂直和水平紗線組成；二是織物變形時(shí)紗線之間沒(méi)有相對(duì)滑移；三是相鄰交織點(diǎn)間的紗線段為直線?？椢锿ㄟ^(guò)這三種假設(shè)簡(jiǎn)化成鉸鏈連接的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。此模型也稱為漁網(wǎng)模型如下頁(yè)圖1所示。

圖1　銷釘鉸接模型

在此模型基礎(chǔ)上，Mack和Taylor通過(guò)微分方程的形式，給出了織物鋪覆在回轉(zhuǎn)體表面上的復(fù)雜公式。Robertson等[6]將鋪覆問(wèn)題簡(jiǎn)化為方程求交問(wèn)題，將計(jì)算方法改善，鋪覆表面的每個(gè)點(diǎn)要滿足：點(diǎn)和其沿緯紗方向上的前一點(diǎn)之間的距離與給定的經(jīng)紗間距離相等；點(diǎn)和其沿經(jīng)紗方向上的前一點(diǎn)之間的距離與給定的緯紗間距離相等；點(diǎn)的坐標(biāo)要滿足曲面方程。通過(guò)上面三個(gè)條件，得到以下方程：

(X3-X1)2+(Y3-Y1)2+(Z3-Z1)2=a2

(X3-X2)2+(Y3-Y2)2+(Z3-Z2)2=b2

F(X3,Y3,Z3)=0

(1)

其中X3，Y3，Z3是要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)：X1，Y1，Z1是沿經(jīng)紗方向上前一點(diǎn)的坐標(biāo)；X2，Y2，Z2是沿緯紗方向上前一點(diǎn)的坐標(biāo)：a和b分別為經(jīng)紗和緯紗方向上兩交叉點(diǎn)的距離；F(X3,Y3,Z3)=0為曲面的解析表達(dá)式。如圖2所示。這個(gè)計(jì)算一直重復(fù)到再?zèng)]有更多的點(diǎn)滿足這三個(gè)方程為止。

圖2　銷釘鉸接模型計(jì)算示意圖

1.2力學(xué)模型

力學(xué)模型用的是力學(xué)有限元法，是離散連續(xù)體，使其形成有限個(gè)網(wǎng)格單元。先分析各個(gè)單元，最后組合所有單元來(lái)求解各種力學(xué)問(wèn)題[7]?？椢镌诹W(xué)有限元法被看成是各向異性的一個(gè)連續(xù)固體，具有摩擦和彈性性能[8]。成型模擬過(guò)程中，用三角形或四邊形單元將織物離散化，如圖3所示。之后分析單元，通過(guò)動(dòng)力學(xué)平衡方程，列出每個(gè)單元的應(yīng)力和應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。最后推導(dǎo)整塊織物的性能是利用單元之間的相互作用。這種方法不僅考慮織物變形的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，變形的中間狀態(tài)也進(jìn)行分析，比幾何鋪覆法更具優(yōu)勢(shì)。

圖3　有限元單元離散化示意圖

現(xiàn)有的織物成型模型，包括銷釘鉸接模型和力學(xué)有限元法的單元模型，都沒(méi)有把紗線的滑移考慮在內(nèi)。但在實(shí)際的織物成型過(guò)程中，紗線滑移是可能發(fā)生的。

2　織物成型性及其評(píng)價(jià)方法

2.1利用剪切性能，研究織物成型性

有很多文獻(xiàn)是研究織物的剪切性能，進(jìn)而分析織物成型性的。主要參數(shù)有初始、剪切變形能以及剪切模量。一般將織物變形經(jīng)緯紗線之間允許的最大角度變化來(lái)表征織物變形達(dá)到極限的臨界條件，也叫做鎖定角。但目前來(lái)講，計(jì)算鎖定角，沒(méi)有實(shí)用方法，實(shí)驗(yàn)法是確定鎖定角的有效方法。

A．G．Prodromou和J．Chen[9]先研究單層織物，確定其褶皺形成與剪切角存在的關(guān)系。再利用真空成形法，從單層織物延展到多層織物，分析得出結(jié)論。他們指出，織物的鎖定角的影響因素有絲束大小、間距和摩擦等。

Kawabata[10]等利用線性關(guān)系預(yù)估剪切力與剪切角之間的關(guān)系，摒棄了以往純粹的理論分析。他們認(rèn)為，織物產(chǎn)生褶皺是由于三個(gè)參數(shù)的累計(jì)，包括初始扭曲、摩擦阻力和彈性阻力。這其中，摩擦阻力和彈性阻力線性影響剪切角。

Hu和Zhang[11]在KES測(cè)試儀上對(duì)織物剪切變形時(shí)應(yīng)力進(jìn)行分析，并得到結(jié)論：由于織物試樣受到邊角、壓力、張力的影響，導(dǎo)致其受到不勻剪切力。通過(guò)有限元分析，夾持方向上剪切力從邊角的零值增至試樣中間的最大值，剪切角的變化會(huì)影響到紗線的滑移。

Zhang等[12]改進(jìn)了像框?qū)嶒?yàn)裝置，通過(guò)剪切鎖定角，分析出織物的經(jīng)緯密對(duì)織物成型性的影響，經(jīng)緯密越小的織物越容易成型。同時(shí)分析非線性褶皺，得出其變化機(jī)制。

2.2測(cè)試織物懸垂性能來(lái)表征織物成型性

織物的懸垂性是指織物在自重作用下產(chǎn)生的形變現(xiàn)象，織物的懸垂性越好，織物成型為三維曲面就越容易，因此許多學(xué)者通過(guò)分析織物的懸垂性來(lái)評(píng)價(jià)織物的成型性。

Chu等人[13]自制懸垂測(cè)量?jī)x，測(cè)試了織物的懸垂彎曲性。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，剪切剛度、彎曲剛度影響織物的懸垂效果。該儀器為研究織物的懸垂性，奠定了一定的基礎(chǔ)。

Morooka等人[14]測(cè)量了織物的懸垂系數(shù)和力學(xué)性能，并分析了它們之間的關(guān)系。結(jié)果證明，織物的力學(xué)性能，可以通過(guò)織物懸垂系數(shù)的線性方程得出?？椢锏闹亓亢蛷澢鷦偠扔绊懣椢锏膽掖瓜禂?shù)。

Amirbayat等人[15]通過(guò)織物懸垂性模擬得出，織物的雙曲變形導(dǎo)致織物產(chǎn)生懸垂褶皺。與此同時(shí)，提出織物的剪切模量以及彎曲剛度與織物懸垂性有很大的關(guān)系。

Allaoui 等人[16]設(shè)定了位移邊界的條件提，通過(guò)三角形殼體單元模型，分析討論織物成型的過(guò)程。從理論模型入手，預(yù)測(cè)織物成型性。

研究表明，成形性一定程度上取決于織物的懸垂性，不能用懸垂性概括。織物懸垂是沒(méi)有外力作用，只在自重作用下變形。但是織物的成型性，是在小應(yīng)力作用下的。因此，用織物的懸垂性來(lái)表征成型性是不全面的。

2.3半球成型法

U.Mohammed等人[17]使織物在模具下成型。這種模具是雙半球模具，由凹模和凸模組成。凹模是上半部分，由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA制成。凸模是下半部分，由鋁制成。為了便于觀察，中間是半球空間，半徑為100mm?；闹行奶幨前霃綖?7mm的半球，和上半球匹配。模具如圖4所示。

圖4　半球模壓模具示意圖

他們利用該試驗(yàn)方法處理了松散的平紋織物、緊密的平紋織物、斜紋織物以及緞紋織物，通過(guò)分析織物形成的褶皺、邊界輪廓的形狀以及織物的各項(xiàng)參數(shù)得出了織物變形難易的原因。

O．Rozant[18]等制作了如下裝置，如圖5。利用此半球狀的活塞裝置，對(duì)幾種織物進(jìn)行沖壓，得出表征織物的成型能力的指標(biāo)，即面積拉伸率。是織物成型后的面積與織物初始面積的比值。面積拉伸率越大，則織物成型性越好。

圖5　沖壓裝置

Vanclooster 等[19]利用異型模具，將織物模壓成三維曲面狀，之后用用數(shù)碼相機(jī)拍攝其成型的最終狀態(tài)。 運(yùn)用幾何分析法分析織物變形過(guò)程，并在有限元軟件中模擬計(jì)算。建立了分析模擬一體化系統(tǒng)。

利用半球成型研究織物的成型性能在很大程度上反映織物在受一定外力作用下的變形行為，而且此試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單。但是為防織物滑移，織物在半球成型時(shí)，受到比較大的約束力。因?yàn)榭椢镆坏┗凭蜁?huì)使織物作不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)難以繼續(xù)進(jìn)行。故織物在小應(yīng)力作用下成型能力不能用半球成型試驗(yàn)法判斷。

2.4對(duì)成型織物拍照，分析其成型性

使織物在特定的球表面上成型，拍照得到織物成型后的形狀，利用圖像分析技術(shù)，評(píng)定織物的成型能力。

專利CN200910018383.4中發(fā)明了一種評(píng)價(jià)織物成型性的裝置，具體方法是取一織物試樣，將它平整的鋪在支持托盤上，在織物試樣上施加一定的約束力，利用驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)物體模型，頂取織物試樣，頂取過(guò)程中，皺褶出現(xiàn)在試樣表面，并逐漸增加，記錄褶皺樣式，通過(guò)記錄物體模型的位移和所受壓力的大小，得出物體模型的位移—作用力曲線。最后，通過(guò)分析織物試樣表面發(fā)生褶皺的程度、物體模型產(chǎn)生的位移和它所受的壓力計(jì)算出織物的成型能力。

該方法和裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，為研究織物的成型性奠定了一定的基礎(chǔ)。但該方法需要人工事先在織物試樣上面畫(huà)上多個(gè)同心圓，而且在用成像裝置攝取織物試樣成型的皺褶的樣式時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)變型后的同心圓曲線會(huì)因?yàn)檎趽醵贿B續(xù)，影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理效果。

3　結(jié)語(yǔ)

織物作為復(fù)合材料增強(qiáng)體已有廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展前景不容小覷。隨著復(fù)合材料制品的發(fā)展及應(yīng)用不斷深入，織物的成型性的要求越來(lái)越高。目前，對(duì)復(fù)合材料用織物成型性的研究，多數(shù)注重成型機(jī)理以及成型實(shí)驗(yàn)，難以模擬織物在成型過(guò)程中的受力特點(diǎn)，此類研究都具有一定的局限性。

目前來(lái)說(shuō)，織物的成型性的表征方法還有待完善，應(yīng)該尋求更簡(jiǎn)便、快捷的方法，從織物成型性的原理著手，著重分析織物成型后的狀態(tài)以判斷織物成型性是否良好。

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1008-5580(2016)03-0156-04

2015-11-17

TS106

A

作者：張雪(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：織物結(jié)構(gòu)與性能。