三轴编织织物及其相关复合材料的结构分析

《Composite Structures》：Structural analysis of triaxial woven fabrics and associated composites

三向编织复合材料TWFC的三角孔及真空压缩成型工艺对结构的影响分析，建立了包含三角孔和真空压缩效应的几何模型，提出λ临界值0.95用于消除孔洞挤出变形，实验验证模型预测误差小于5%。

　　

宋波|林国昌|刘少竹|马瑞强|陈雪岩|谭慧峰

哈尔滨工业大学复合材料与结构研究中心，中国哈尔滨 150080

摘要

三轴编织织物（TWF）及其复合材料（TWFC）因其独特的交织结构而具有出色的各向同性、轻质特性和尺寸稳定性，使其非常适合用于太空部署应用。本研究探讨了制造过程中三角形孔洞和真空压缩对材料结构的影响。通过建立几何精确的分析模型，可以在TWF设计阶段利用参数相关性对TWFC的几何形状进行预测优化。此外，使用树脂传递模塑（RTM）技术制备了TWFC样品，并通过扫描电子显微镜（SEM）测量了TWF和TWFC的几何参数。实验结果显示，测量数据与模型预测之间的相对误差小于5%。为了量化TWF中的三角形孔洞，提出了一种无量纲因子$\backslash lambda\; =\; 0.95$，该值被认为是完全消除孔洞以避免挤压变形和孔洞闭合的关键值。不同的$\lambda$值会导致所制备TWFC的几何结构和机械性能发生变化。利用本文提出的模型，可以在TWF的初始设计阶段预测其结构和机械性能，从而获得具有所需性能的复合材料。

引言

三轴编织织物（TWF）是一种平面材料，它是通过沿三个平面方向以预定义的角度配置交织纱线制成的，这些角度由特定的编织规则控制[1]。一个典型的例子是基于碳纤维的TWF及其复合材料TWFC，它们采用60°的角度进行编织。这些材料具有准各向同性的机械和热性能、低密度多孔结构、低热膨胀系数和高尺寸稳定性。TWFC的交织结构使其具有优异的结构可设计性和独特的机械性能，因此被广泛应用于包括卫星天线反射器在内的太空部署组件中[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。因此，TWFC的性能表现出严格的结构-性能相关性，需要系统地评估TWF编织和TWFC固化过程中的制造引起的结构变化[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

在编织复合材料的几何建模中，一种方法是依赖微CT扫描来捕获纤维束的图像数据。然后对这些图像进行分割，生成基于体素的离散化纤维束模型，从而重建织物结构[15]。这种方法的准确性高度依赖于图像分辨率和扫描样本的选择[16]。然而，获取高质量微CT图像的高成本以及图像分割的复杂性极大地限制了这种方法的实际应用[15]、[17]。更广泛采用的方法是参数化方法，该方法因其可扩展性和计算效率而受到青睐。这种方法通过假设理想的横截面和路径来构建纤维束的几何模型，如TexGen[18]和UnitCells?[19]等工具所实现的。这些工具在实际研究中已被证明是有效的[20]、[21]。然而，一个持续的挑战是如何将真实的制造特征（如编织引起的孔洞和压实效应）整合到参数化模型中。解决这一问题是开发既准确又计算高效的预测模型的关键。

目前关于TWFC结构和性能的研究主要集中在理想编织模型上，如图1（N）所示，这些模型忽略了三角形孔洞和卷曲的影响。例如，Yang[22]、Zhou[23]和Guang-Kai[24]基于理想模型分析了TWFC的结构和机械性能，同时强调了TWF结构对TWFC性能的显著影响，特别是织物的孔隙率[25]。在结构分析方面，通常选择TWFC的代表性体积元素（RVE）来表征织物结构[26]、[27]。织物的几何形状和截面形状被结构化参数化[28]，并建立了宏观结构与微观结构之间的参数关系[29]。

在TWF编织过程中，由于纱线本身的刚性，在编织张力释放后，三组纱线的交叉区域会出现三角形孔洞，如图1（O）所示，这会影响孔隙率、织物厚度和纤维体积分数等，但在设计阶段并未考虑这些影响。同样，在TWFC的制备过程中，通常使用真空压力来确保成型的准确性[30]，而在压力作用下编织结构会发生变化，如图1（E）所示。因此，需要建立一个分析模型来量化这些变化，并将其与TWFC的几何参数相关联。此外，所提出的分析框架也适用于其他类型的编织复合材料。通过量化结构变化，它提供了一种可转移的方法论，以弥合理想化模型与实际制造复合材料之间的差距。这项工作为其他纺织复合材料的高精度设计提供了关键支持，有助于提高航空航天可部署结构和轻量化汽车部件等的设计精度。

本文分析了实际编织过程中TWF中存在的三角形孔洞的影响以及制备过程中真空压制对其结构的影响。基于工程实践，构建了TWF和TWFC几何结构的准确分析模型，并建立了TWF和TWFC之间的定量参数关系。这意味着可以在TWF的设计阶段准确预测TWFC的几何结构。使用RTM技术制备了TWFC，并通过SEM测量了TWF和TWFC的几何参数，然后将其与分析模型的理论值进行比较。

节选内容

平面结构建模

在实际的TWF编织过程中，不可避免地会形成六边形和三角形孔洞。然而，现有的TWF介观结构分析主要假设纤维束之间的紧密交织，仅关注六边形孔洞而忽略了三角形空洞。为了评估三角形空洞的几何影响，建立了一个包含这些空洞的数学模型，如图1（F）-（I）所示。在模型开发过程中，做出了以下假设：（i）

真空压制的影响

这种具有特定性能的复合材料是通过结合TWF和树脂形成的，称为TWFC，已应用于航空航天领域。在分析TWF复合材料的机械性能时，必须考虑复合材料制备过程的影响。实际制备过程中通常使用真空压力来确保成型的准确性（图1（B）-（D）），TWFC是通过树脂固化形成的。外部压力会导致TWF发生变形，

样品制备

为了验证所提出模型的准确性，将T300-1K碳纤维TWF与柔性硅橡胶结合，通过高温硫化制备了TWFC。分析了TWF和TWFC的测量几何参数与微观结构模型计算之间的偏差。TWFC的制备采用了真空袋压制法（RTM）。TWF经过预处理以去除上浆剂和其他杂质。液态硅橡胶均匀地浸入

结论

本文提出的TWFC结构分析模型考虑了TWF编织过程和TWFC制备过程对TWFC几何结构的影响。通过将三角形孔洞和真空压制效应纳入模型，建立了从TWF设计到TWFC几何模型的准确定量关联模型。分析了不同设计参数对TWFC结构的影响，从而能够精确预测其性能

作者贡献

本文由所有作者共同完成。所有作者均批准了最终版本的手稿。宋波提出了想法并设计了实验。林国昌和谭慧峰监督了项目。刘少竹、马瑞强和陈雪岩修订了论文。宋波进行了实验并撰写了论文。

CRediT作者贡献声明

宋波：撰写——原始草案、方法论、研究、形式分析。林国昌：撰写——审阅与编辑、监督。刘少竹：验证。马瑞强：验证。陈雪岩：验证。谭慧峰：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点实验室科学基金会关于特殊环境中先进复合材料的支持（资助编号：6142905243105）。