三維織物剪切變形的試驗研究

王燕潔 ，張一帆 ，潘 寧 ，2，陳 利

（1.天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387；2.加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系，戴維斯 95616，美國）

紡織復(fù)合材料在大型結(jié)構(gòu)件/裝配體上的應(yīng)用不斷增加，需要有更綜合的工程方法來應(yīng)對復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件.許多復(fù)雜的復(fù)合材料裝配體需要很多的零件和連接，并且連接需要穿過不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件而形成不同的裝配狀態(tài).為了達到提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能和降低生產(chǎn)成本的目的，復(fù)合材料一體化成型制造技術(shù)應(yīng)運而生[1-2].三向正交織物具有容易操作、穩(wěn)定性好等特點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在復(fù)合材料產(chǎn)品中.隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對于異形復(fù)合材料構(gòu)件而言，增強體織物往往需要經(jīng)過變形成型過程才能滿足最終復(fù)合材料構(gòu)件的外形尺寸，而在變形成型過程中，織物最主要的變形形式是面內(nèi)的剪切變形[3-5].研究人員在織物剪切性能測試方面已經(jīng)做了很多的研究工作，并且取得了一些研究成果.最早由Kawabata[6]提出的織物風(fēng)格測試系統(tǒng)，織物兩端被固定，然后沿相反的方向運動，織物就受到剪切力的作用，但同時紗線也會受到拉力的作用，織物在面內(nèi)受到的不是純剪切力.Chen[7]在剪切變形試驗的基礎(chǔ)上，分析了2種結(jié)構(gòu)的二維織物的變形模式，利用CCD圖像采集儀觀察和測量了織物的鎖緊角.Zhu[8-9]等在織物剪切大變形的試驗研究方面做了很多細致的研究，對像框剪切裝置進行了改進，保證所得到的試驗結(jié)果更準(zhǔn)確.綜上所述，目前對于織物剪切變形的研究主要集中于二維織物.本文設(shè)計和改進了傳統(tǒng)相框剪切實驗裝置，進行三向正交織物的剪切變形試驗，研究了Z向紗細度和織物密度對三向正交織物剪切性能的影響及三向正交織物的變形機理，為三向正交織物本構(gòu)關(guān)系的建立奠定了基礎(chǔ).

1 實驗部分

1.1 試樣制備

試驗中使用的三向正交織物試樣是在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料所自行研制的三維織機上織造完成的.試驗中使用的試樣為玻璃纖維織造的三向正交織物.如圖1所示，三向正交織物由經(jīng)紗、緯紗以及沿厚度方向的Z向紗等3個系統(tǒng)的紗線組成.3個系統(tǒng)的紗線在織物中都處于伸直狀態(tài)，Z向紗穿過厚度方向?qū)⒍鄬咏?jīng)紗和緯紗捆綁形成一個整體結(jié)構(gòu)，同時可以根據(jù)復(fù)合材料對不同方向的性能要求設(shè)計各個方向上紗線的分布.本文制備了3種不同Z向紗密度以及細度的試樣，以考察其對整個織物力學(xué)性能的影響.具體織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 典型3D機織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D orthogonal woven fabric

表1 三向正交織物結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of 3D orthogonal woven fabric

圖2給出了織物剪切試驗的試樣示意圖.試樣的尺寸為320 mm×320 mm，四周為貼加強片區(qū)域，中間發(fā)生剪切變形區(qū)域為100 mm×100 mm.

圖2 像框剪切織物試樣示意圖Fig.2 Fabric samples for picture frame

1.2 實驗方法

1.2.1 像框剪切試驗裝置改進

像框試驗裝置如圖3所示，是由4根剛性的金屬連桿組成的正方形.試驗中，將整個像框裝置安裝到材料試驗機上，下端固定，上端以恒定的速率向上運動，當(dāng)像框由正方形變?yōu)榱庑螘r，在中央?yún)^(qū)域?qū)椢镌嚇赢a(chǎn)生均勻的剪切作用.

圖3 像框剪切試驗裝置示意圖Fig.3 Photo of picture frame

像框剪切試驗是研究織物面內(nèi)剪切性能的一種有效的試驗方法.近年來，該方法在實踐中得到了不斷的完善，以保證織物在試驗有效區(qū)域內(nèi)發(fā)生純剪切:①將織物的4角剪掉，保證像框臂繞鉸鏈處自由轉(zhuǎn)動，同時避免鉸鏈處對織物過早的擠壓，引起織物局部過早的產(chǎn)生折皺；②去掉部分邊界紗線，防止在邊框附近由于擠壓而過早的產(chǎn)生局部折皺；③在像框兩個相鄰臂上增加定位條，保證相鄰臂垂直[10].但是，目前還是存在一些影響試驗結(jié)果的問題.比如，像框連接處的摩擦力較大，紗線的偏移對結(jié)果的影響等[11].因此，在前人工作的基礎(chǔ)上，本文對像框試驗做了進一步的完善:①將像框連接處改為滾動軸承連接，降低像框間的摩擦力對試驗結(jié)果的影響，如圖4所示；②通過在像框上加工定位槽，保證紗線在裝卡后不發(fā)生偏轉(zhuǎn).

圖4 滾動軸承連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of bearing connection

1.2.2 像框剪切試驗測試

三向正交織物的像框剪切試驗在島津萬能材料試驗機AGS－J 1kN上進行，載荷測量精度為±0.01 mN，位移的測量精度為±0.01 mm.

基于像框變形的幾何關(guān)系，剪切角以及像框的夾角可以分別表示為:

式中:L為像框臂的邊長；δ為像框沿對角線的位移；θ和γ分別為像框的夾角和剪切角，如圖5所示.

圖5 像框剪切試驗剪切變形示意圖Fig.5 Schematic diagram of picture frame deformation

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗改進效果

圖6所示為像框改進前后摩擦力的對比曲線.

由圖6可以很明顯地看出:采用滾動軸承后摩擦力大大減小，改進后摩擦力基本在0.04～0.08 N之間波動，穩(wěn)定在一個較小的區(qū)間內(nèi)，在試驗過程中基本上可以忽略.

圖6 像框裝置改進前后摩擦力對比Fig.6 Comparison of friction between before and after improvement

2.2 剪切性能曲線分析

圖7所示為3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)三向正交織物試樣的剪切應(yīng)力－剪切角曲線.

圖7 三向正交織物剪切試驗曲線Fig.7 Shear stress-shear angle curves of 3D orthogonal fabric

由圖7可以看出，3種織物的曲線趨勢相近，主要包括初始剪切階段和擠壓階段兩個過程.在初始剪切階段，隨著剪切角的增加，3種織物剪應(yīng)力差異不大.這表明，在該階段，Z向紗的細度以及織物密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不影響剪切變形.而隨著織物的變形，紗線將發(fā)生橫向移動，形成擠壓.在擠壓階段，3種不同織物的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯差異，且隨著剪切角的增加，差值也越大.P2試樣的剪切應(yīng)力最大，這是因為P2試樣在單位面積內(nèi)所含的Z向紗和緯紗的數(shù)量較多，紗線間的擠壓致使應(yīng)力增加較快.相比于P1試樣，由于P3試樣中的Z向紗線較粗，在擠壓階段，也會引起剪切應(yīng)力增加.綜上可以看出，在初始剪切階段，變形機理主要以紗線間的相互摩擦以及Z向紗線的扭轉(zhuǎn)變形為主；而在擠壓階段，紗線間橫向擠壓變形則為主要變形模式.

圖8給出了不同剪切角情況下，Z向紗線的纖維體積含量隨剪切角的變化曲線，通過測量在不同剪切角下Z向紗線的橫截面面積以得到其纖維體積含量的變化.

圖8 Z向紗線纖維體積含量變化曲線Fig.8 Variation curve of Z yarn fiber volume fraction

由圖8可以看出，隨著剪切角的增加，纖維體積含量基本呈線性的變化規(guī)律.由于剪切角和Z向紗線所占據(jù)的空隙面積呈一個近乎線性的幾何關(guān)系，因此，隨著剪切角的變化，Z向紗線的纖維體積含量隨剪切角是呈線性增加的.

2.3 細觀結(jié)構(gòu)分析

圖9所示為三向正交織物剪切變形前后的細觀結(jié)構(gòu)變化情況.

圖9 三向正交織物面內(nèi)剪切變形前后形貌Fig.9 Morphology of 3D orthogonal fabric before and after shear deformation

由圖9可以看出，開始階段，織物中3個系統(tǒng)的紗線相互垂直，紗線間有明顯的空隙，Z向紗線從經(jīng)紗和緯紗的空隙中穿過將經(jīng)紗和緯紗連接成一個整體.剪切變形后，經(jīng)紗和緯紗間的空隙幾乎完全消失，相鄰的經(jīng)紗（或者緯紗）能夠相互接觸，Z向紗線由于受到經(jīng)紗和緯紗旋轉(zhuǎn)帶來的扭轉(zhuǎn)變形以及對它的擠壓變形，導(dǎo)致其纖維體積含量迅速地增加，載荷顯著地上升.

3 結(jié)論

（1）對像框剪切裝置做了進一步改進，消除了像框裝置測試系統(tǒng)對試驗結(jié)果的影響.像框連接處改用滾動軸承連接，大大降低了連接處的摩擦力；加工定位槽保證了織物中紗線的平行度，保證紗線的位置不發(fā)生偏移.通過對試驗裝置的進一步完善，保證了試驗結(jié)果的正確性、可靠性和可重復(fù)性.

（2）Z向紗線的細度和織物密度等參數(shù)對三向正交織物的剪切性能的影響主要體現(xiàn)在擠壓階段，而在初始剪切階段影響不大.

（3）在初始剪切階段，變形機理主要以紗線間的相互摩擦以及Z向紗線的扭轉(zhuǎn)變形為主；而在擠壓階段，紗線間橫向擠壓變形則為主要變形模式.

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