三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究.pdf

纺织科学与工程学报 第 卷第 期(总第 期)年 月 ()收稿日期:第一作者简介:张长青()女硕士研究生研究方向:纺织复合材料通信作者简介:李炜()女博士教授、博士生导师:/三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究张长青李倩倩李 炜(.东华大学上海高性能纤维复合材料协同创新中心上海.东华大学纺织学院上海.产业用纺织品教育部工程研究中心上海)摘 要:利用三维编织技术制备了内凹六边形结构预制体对三种不同内凹角的内凹六边形蜂窝状复合材料进行了压缩测试分析了能量吸收性能和损伤变形演变 研究表明三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料在压缩过程中都产生层层单胞折叠压缩的变形演变趋势载荷位移曲线拥有较长的压缩平台期表现出优异的能量吸收性能 内凹角度对内凹六边形复合材料吸能性能有明显影响内凹角度 的试样的比吸能和平台载荷大于内凹角度 的试样结构的不对称性可以提高内凹六边形复合材料的吸能性能内凹角度 的不对称内凹六边形复合材料的比吸能和平台载荷是三种结构中最大的关键词:三维编织技术 内凹六边形蜂窝结构 不对称性结构 吸能中图分类号:文献标志码:文章编号:()前言胞元负泊松比材料是由多个重复单胞组成的具有负泊松比效应的材料既具有负泊松比材料优异的抗剪切强度、抗压能力、抗断裂性和能量吸收等性能也具有多孔结构的轻质、高比强、高吸能等性能应用在航空航天、生物医用、缓冲保护、船舶等领域 内凹胞元结构是最早的胞元负泊松比材料从形状上来说有三角形内凹、六边形内凹、星型内凹、双箭头内凹等 在此传统形状基础上袁敏等人引入梯度厚度研究了梯度厚度对内凹六边形蜂窝状复合材料的吸能性能影响仿真结果表明正向梯度厚度能有效降低材料的平台应力并且能在材料受冲击后期有效提高材料的质量能量吸收密度 等人设计了通过连接梁将内凹六边形结构和星型结构连接的组合结构(型、型、型)研究发现组合结构中更多选用内凹六边形会使结构不易压缩失稳 等人为了克服内凹六边形负泊松比材料特性由基角决定和星形负泊松比材料杨氏模量小的缺点设计了一种由内凹六边形单元()和星形单元()共同构成的嵌套星形单元()为负泊松比材料的结构设计和应用提供了新的发展方向岑神德在普通内凹六边形基础上设计了一种兼具内凹和旋转两种提高负泊松比效应的机理的新型负泊松比材料通过实验验证和模拟得到了比传统内凹六边形材料更好的吸能效果且在中、高速冲击下具有更好的抗冲击性 改善胞元负泊松比结构性能的大部分研究集中在基于对称内凹六边形胞元的结构创新设计关于不对称结构的研究较少本文设计了一种不对称内凹六边形结构即左右两侧内凹角不同上下侧内凹角相同并采用三维编织技术实现了内凹六边形预制体一体成型编织通过真空辅助灌注成型制备了复合材料进行了压缩测试探究了不对称内凹六边形结构的吸能性能 实验.实验原料实验原料:碳纤维树脂选用上纬(天津)纺织科学与工程学报 年 月风电材料有限公司的 灌注环氧主剂 固化剂.编织与制备.蜂窝状预制体编织采用四步法在笛卡尔编织机上进行编织利用纱线回转原理即编织体在单向运动的纱线列处会发生分离在不同编织循环中选取不同纵列的纱线做单向运动如图 中绿色纱线列其余纱线列(边纱除外)既做横向运动又做纵向运动使编织体在绿色纱线列处分开在其他纱线列处合并通过图 的五个步骤即可编织一层完整的蜂窝孔洞控制每个步骤的四步法循环次数即可控制蜂窝孔洞各边边长图 孔洞编织原理图.三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料的制备带有孔洞的预制体编织完成后制作内凹角度不同的芯模填充在孔洞中采用真空辅助灌注成型技术()制备三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料得到左右两侧内凹角度为、的负泊松比蜂窝状三维编织复合材料 内凹角 和 的试样是对称结构内凹角 的试样是不对称结构示意图和实物图如图 所示:图 试样结构示意图(左)和实物图(右)试样厚度 其他结构参数如表 所示:表 试样结构参数/试样.试样.试样.压缩测试在万能试验机上进行压缩测试测试速度为/测试示意图如图 所示:图 万能试验机测试示意图 测试结果与分析.压缩载荷位移曲线三种不同内凹角度的内凹六边形蜂窝状复合材料的压缩载荷位移曲线具体压缩曲线可以分为三个阶段 第一阶段为弹性变形阶段载荷初步加载纤维与树脂结合紧密试样受力均匀发生弹性变形载荷位移曲线呈线性变化随着载荷的逐渐增大部分受力集中处树脂基体与纤维之间开裂试样表面出现细微、分散的裂痕并且伴有试样的轻微变形直至载荷达到初始最大峰值 第二阶段为“压缩平台”阶段在此区间内随着载荷的逐渐增大试样多处树脂基体开裂试样中的内凹六边形单胞的倾斜边与直边的接触点(拐角)受力集中纤维受到挤压直至某一接触点处材料断裂单胞产生塑性坍塌试样受力下降而单胞的塑性坍塌后会加剧相邻单胞的变形运动包括倾斜壁向直边折叠收缩和直边绕接触点的旋转偏移这种变形运动使试样抗压能力增大直至下一个单胞发生塑性坍塌 这就是载荷位移曲线产生许多不重复且升降幅值不一的压缩峰的原因 试样压缩平台期较长是因为上述的变形运动具有阶段性和方向第 期三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究性如下页图 图 中第 到第 所示试样在压缩过程中三层蜂窝孔洞层层压缩折叠阶段性产生不同方向的压缩变形趋势 第三阶段为致密期此时载荷位移曲线斜率急剧上升试样受压变得致密倾斜壁折叠至水平试样整体均匀受力这时其抗压能力只与试样本身的材料属性有关对本文不对称结构的研究无影响图 三种试样的载荷位移曲线.比吸能和平台载荷材料的吸能特性一般用比吸能()来衡量 表示单位质量结构材料吸收的能量单位为/如公式()所示:()其中 为材料的有效质量单位为 如公式()所示:()其中是材料在受压方向上达到致密化前的最大有效压缩进程单位为 是材料的总高度单位为 是材料的总质量单位为 式()中的 为材料在压缩过程中吸收的总能量单位为 可表示为式():()()多孔蜂窝结构拥有较长的平台阶段因此平台应力也是衡量材料吸能性能的重要指标之一平台应力是基于应力应变曲线求得本文基于载荷位移曲线求得材料的平台载荷 单位为 如式()所示:()()其中 表示材料到达初始载荷峰值时对应的位移单位为 表示材料载荷值再一次达到初始载荷峰值时对应的位移单位为 根据公式()()计算出三种试样比吸能和平台载荷如表 所示 可以看到三种试样的比吸能和平台载荷变化趋势相同内凹角度 的不对称试样的比吸能和平台载荷最大分别为./和.三者中居中的是比吸能./和平台载荷.的内凹角度 的试样比吸能和平台载荷最小的是内凹角度 的试样分别为./和.即不对称结构的吸能性能优于对称结构对称结构的吸能性能与内凹六边形结构的内凹角度呈负相关 从受力层面来看试样在倾斜壁处受到的垂直向下的压力可以分解成沿着倾斜壁方向的力和垂直于倾斜壁方向的力其中垂直于倾斜壁方向的力对倾斜壁产生绕接触点旋转向下的弯矩 倾斜壁弯矩的大小是倾斜壁旋转变形范围的重要影响因素之一弯矩越大倾斜壁旋转变形范围越大结构吸收的总应变能越大 本实验中三种结构单胞的高度 相同所以弯矩的大小只与内凹角度有关 对于对称结构来说内凹角度越小的试样弯矩越大即吸能性能越好 由于不对称结构左右两侧内凹角度不同即左右两侧倾斜壁受到的弯矩不同所以在受压过程中弯矩大的一侧先产生折叠收缩弯矩小的一侧在带动下会先产生拉胀再进行收缩因此不对称结构倾斜壁的旋转变形范围比对称结构更大即不对称结构的吸能性能优于对称结构表 三种试样的比吸能和平台载荷试样比吸能/.平台载荷/.破坏模式分析图 图 分别为对称内凹六边形蜂窝结构和不对称内凹六边形蜂窝结构在受压后、以及达到最大有效压缩进程中的变形情况三种试样受压变形过程可以分为三个阶段第一阶段:经过一段时间的弹性变形试样发生轻微的整体向内、向下收缩试样表面树脂断裂出现轻微裂痕随着载荷的增大试样的局部(与压头纺织科学与工程学报 年 月接触的上下两边)发生应力集中单胞的倾斜壁逐渐向垂直于压缩方向的直边折叠如图 图 第 所示 第二阶段:位于结构边缘的单胞收缩导致与其相邻的单胞各边发生偏移折叠该变形斜向发展到结构中层的单胞后产生变向又开始沿着压缩方向产生逐层压溃试样形成如图 图 第 所示的不同方向的压缩致密带在此阶段试样内凹六边形倾斜壁与直边的多个接触点会发生树脂迸裂纤维抽拔、断裂 第三阶段:试样经过第二阶段的逐层压溃已变得致密载荷继续增大进一步压实试样如图 图 的最大有效压缩进程所示 对称内凹六边形蜂窝状复合材料与不对称内凹六边形蜂窝状复合材料的变形演变在第二、三阶段有些许不同 从变形趋势看对称结构的变形演变趋势都是呈带状在压缩后期主要产出垂直向下的压缩变形而不对称结构在压缩过程中会产生整体结构的变形如图 第 所示并且最后的致密化压缩呈倾斜向下的趋势 倾斜向下产生的变形量要大于垂直向下所以不对称结构吸收的应变能要大于对称结构 从局部单胞的形状演变看对称结构的单胞在压缩过程中倾斜壁只产生收缩折叠不对称结构在受压后某个或某几个单胞会同时产生一侧倾斜壁向直边收缩折叠另一侧倾斜壁向远离直边方向拉胀的现象这是因为受相同载荷的情况下不对称结构单胞中内凹角度的倾斜壁所受弯矩更大更易向直边折叠带动直边一侧下降另一侧上翘从而对内凹角度大的倾斜壁产生向外的拉力导致倾斜壁向远离直边方向拉胀 因此不对称结构的倾斜壁旋转变形范围更大吸收的总应变能更多图 内凹角度 的试样在受压后各时间段的变形情况图 内凹角度 的试样在受压后各时间段的变形情况图 内凹角度 的试样在受压后各时间段的变形情况 结论选用 技术制备了不同内凹角度的三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料通过压缩测试研究了不对称性对材料吸能性能和损伤变形的影响()三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料在受压后的载荷位移曲线可以分为弹性变形期、压缩平台期和致密期 载荷位移曲线在加载初期呈线性变化试样产生弹性变形树脂发生细微开裂曲线达到初始最大峰值后试样局部产生塑性坍塌曲线下降试样的层层压溃使得曲线产生较长的压缩平台而试样内单胞倾斜壁和直边的偏移变形运动与塑性坍塌交替出现使压缩平台产生许多不重复且升降幅值不一的压缩峰试样在压缩平台后之间致密载荷增大后进一步压缩试样内部空间整体受力均匀曲线又开始呈线性变化()不对称内凹六边形蜂窝状复合材料和对称内凹六边形蜂窝状复合材料的变形演变趋势相似都可分为三个阶段每个阶段可与载荷位移曲线相对应 不对称结构区别于对称结构的是其单胞可以同时产生收缩和拉胀且整体斜向压缩更多因此不对称结构的偏移变形更多第 期三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究()内凹角度 的不对称试样的比吸能和平台载荷相较于内凹角度 的对称结构分别都提高了 相较于内凹角度 的对称结构分别提高了 和 参考文献 于靖军谢岩裴旭.负泊松比超材料研究进展.机械工程学报():.任鑫张相玉谢亿民.负泊松比材料和结构的研究进展.力学学报():.李竞王宇吴红枚等.具有负泊松比材料的研究进展.江西化工():.陶伟灏.主动变形负泊松比蜂窝结构用于变体机翼.设备管理与维修():.():.黄伟锋苏继龙梅志伟.负泊松比六韧带手性蜂窝材料的血管支架力学特性分析.机电工程技术():.潘晋曹晓爱李娜.负泊松比防车撞结构的耐撞性研究.公路():.亓昌安文姿杨姝.负泊松比安全带织带乘员碰撞保护性能的 仿真.汽车安全与节能学报():.郁荣.泡沫填充负泊松比结构的力学特性及在舷侧耐撞中的应用.武汉:华中科技大学.夏利福杨德庆.含负泊松比超材料构件的潜艇振动与声辐射性能分析.振动工程学报():.袁敏徐峰祥龚铭远.梯度厚度负泊松比蜂窝材料面内冲击特性.塑性工程学报():.:.():.:.岑神德.一种新型负泊松比蜂窝结构的冲击动力学研究.广州:暨南大学.蒋家松周雯吴伯明等.三维蜂窝状格栅编织物的设计.产业用纺织品():.王信涛.三维有序负泊松比结构的设计、制备与力学性能表征.哈尔滨:哈尔滨工业大学.():.(.):.: