復合材料用織物成型性研究進展

張　雪

(青島大學紡織學院，山東青島 266071)

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復合材料用織物成型性研究進展

張雪

(青島大學紡織學院，山東青島 266071)

基于織物成型性的2種模型，即幾何模型和力學模型以及4種評價方法，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程中發生的受力和變形情況，對比分析了現有模型及評價方法的原理，指出其片面性，為今后建立更全面的織物成型性評價方法提供參考。

織物成型性模型剪切性懸垂性半球成型拍照法

近年來，由于紡織復合材料具有力學性能好、易于加工和成本低等優點，已經在汽車、輪船、航空航天、建筑等領域有了廣泛應用，且從原來的非承力結構件應用擴展到承力結構件應用。但是，作為這類產品一般形狀不規則。因此，織物用作復合材料增強體，要求具有較好的成型能力。

作為紡織復合材料的增強體，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鎖織物，可以直接制成復合材料所需的形狀，但生產過程復雜，成本較高，而且制品的尺寸會受機器的限制。二維平面織物由于生產工藝成熟，成本低廉，在復合材料增強體方面得到廣泛應用。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，織物無褶皺形成某種特定形狀的能力。復合材料制品的可加工性一定程度上取決于作為增強體的織物的成型性。織物變形[2]，成為三維立體形狀，纖維的取向、排列等都會產生一定程度的變化，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，國內外關于織物成型性的研究已經有很多，重點集中在成型性模擬、成型原理的分析及成型性的試驗方法等方面。創建了兩種廣泛使用的模型，包括幾何鋪覆和力學有限元模型。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總結織物成型性的研究進展。

1　織物成型模擬模型

目前，對于織物的成型過程主要有兩種應用較為廣泛的模型，分別是幾何鋪覆和力學有限元模型。

1.1幾何模型

幾何模型是將連續纖維進行線性排列所形成的織物覆蓋在一個任意形狀的表面上形成的[3]。大多以運動學模型為基礎，重點考慮織物成型的初始狀態和最終狀態，不考慮成型過程中的中間狀態以及織物的力學性能，只需要纖維的幾何狀態、材料的規格以及模具的幾何形狀，可以通過數值分析法精確求解[4]，計算量小。

Mack和Taylor[5]發表的銷釘鉸接模型最為常見。此模型包含三個假設，一是織物是由不可伸長的垂直和水平紗線組成；二是織物變形時紗線之間沒有相對滑移；三是相鄰交織點間的紗線段為直線。織物通過這三種假設簡化成鉸鏈連接的網格結構。此模型也稱為漁網模型如下頁圖1所示。

圖1　銷釘鉸接模型

在此模型基礎上，Mack和Taylor通過微分方程的形式，給出了織物鋪覆在回轉體表面上的復雜公式。Robertson等[6]將鋪覆問題簡化為方程求交問題，將計算方法改善，鋪覆表面的每個點要滿足：點和其沿緯紗方向上的前一點之間的距離與給定的經紗間距離相等；點和其沿經紗方向上的前一點之間的距離與給定的緯紗間距離相等；點的坐標要滿足曲面方程。通過上面三個條件，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是要計算的點的坐標：X1，Y1，Z1是沿經紗方向上前一點的坐標；X2，Y2，Z2是沿緯紗方向上前一點的坐標：a和b分別為經紗和緯紗方向上兩交叉點的距離；F(X3,Y3,Z3)=0為曲面的解析表達式。如圖2所示。這個計算一直重復到再沒有更多的點滿足這三個方程為止。

圖2　銷釘鉸接模型計算示意圖

1.2力學模型

力學模型用的是力學有限元法，是離散連續體，使其形成有限個網格單元。先分析各個單元，最后組合所有單元來求解各種力學問題[7]。織物在力學有限元法被看成是各向異性的一個連續固體，具有摩擦和彈性性能[8]。成型模擬過程中，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，通過動力學平衡方程，列出每個單元的應力和應變的函數關系。最后推導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和最終狀態，變形的中間狀態也進行分析，比幾何鋪覆法更具優勢。

圖3　有限元單元離散化示意圖

現有的織物成型模型，包括銷釘鉸接模型和力學有限元法的單元模型，都沒有把紗線的滑移考慮在內。但在實際的織物成型過程中，紗線滑移是可能發生的。

2　織物成型性及其評價方法

2.1利用剪切性能，研究織物成型性

有很多文獻是研究織物的剪切性能，進而分析織物成型性的。主要參數有初始、剪切變形能以及剪切模量。一般將織物變形經緯紗線之間允許的最大角度變化來表征織物變形達到極限的臨界條件，也叫做鎖定角。但目前來講，計算鎖定角，沒有實用方法，實驗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]等利用線性關系預估剪切力與剪切角之間的關系，摒棄了以往純粹的理論分析。他們認為，織物產生褶皺是由于三個參數的累計，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測試儀上對織物剪切變形時應力進行分析，并得到結論：由于織物試樣受到邊角、壓力、張力的影響，導致其受到不勻剪切力。通過有限元分析，夾持方向上剪切力從邊角的零值增至試樣中間的最大值，剪切角的變化會影響到紗線的滑移。

Zhang等[12]改進了像框實驗裝置，通過剪切鎖定角，分析出織物的經緯密對織物成型性的影響，經緯密越小的織物越容易成型。同時分析非線性褶皺，得出其變化機制。

2.2測試織物懸垂性能來表征織物成型性

織物的懸垂性是指織物在自重作用下產生的形變現象，織物的懸垂性越好，織物成型為三維曲面就越容易，因此許多學者通過分析織物的懸垂性來評價織物的成型性。

Chu等人[13]自制懸垂測量儀，測試了織物的懸垂彎曲性。大量試驗數據證明，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。

Morooka等人[14]測量了織物的懸垂系數和力學性能，并分析了它們之間的關系。結果證明，織物的力學性能，可以通過織物懸垂系數的線性方程得出。織物的重量和彎曲剛度影響織物的懸垂系數。

Amirbayat等人[15]通過織物懸垂性模擬得出，織物的雙曲變形導致織物產生懸垂褶皺。與此同時，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系。

Allaoui 等人[16]設定了位移邊界的條件提，通過三角形殼體單元模型，分析討論織物成型的過程。從理論模型入手，預測織物成型性。

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，是在小應力作用下的。因此，用織物的懸垂性來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。基座的中心處是半徑為97mm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，通過分析織物形成的褶皺、邊界輪廓的形狀以及織物的各項參數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，對幾種織物進行沖壓，得出表征織物的成型能力的指標，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，之后用用數碼相機拍攝其成型的最終狀態。 運用幾何分析法分析織物變形過程，并在有限元軟件中模擬計算。建立了分析模擬一體化系統。

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，而且此試驗方法簡單。但是為防織物滑移，織物在半球成型時，受到比較大的約束力。因為織物一旦滑移就會使織物作不對稱運動，試驗難以繼續進行。故織物在小應力作用下成型能力不能用半球成型試驗法判斷。

2.4對成型織物拍照，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，評定織物的成型能力。

專利CN200910018383.4中發明了一種評價織物成型性的裝置，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，利用驅動裝置推動物體模型，頂取織物試樣，頂取過程中，皺褶出現在試樣表面，并逐漸增加，記錄褶皺樣式，通過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，通過分析織物試樣表面發生褶皺的程度、物體模型產生的位移和它所受的壓力計算出織物的成型能力。

該方法和裝置結構簡單，操作方便，為研究織物的成型性奠定了一定的基礎。但該方法需要人工事先在織物試樣上面畫上多個同心圓，而且在用成像裝置攝取織物試樣成型的皺褶的樣式時，有時會發現變型后的同心圓曲線會因為遮擋而不連續，影響后續的數據分析處理效果。

3　結語

織物作為復合材料增強體已有廣泛的應用，其發展前景不容小覷。隨著復合材料制品的發展及應用不斷深入，織物的成型性的要求越來越高。目前，對復合材料用織物成型性的研究，多數注重成型機理以及成型實驗，難以模擬織物在成型過程中的受力特點，此類研究都具有一定的局限性。

目前來說，織物的成型性的表征方法還有待完善，應該尋求更簡便、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

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作者：張雪(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：織物結構與性能。