發(fā)布時間：2017-12-22 23:02

  本文關(guān)鍵詞：紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的增材制造：結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備以及表征　出處：《東華大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 編織結(jié)構(gòu) 機織結(jié)構(gòu) 紡織預(yù)制件 結(jié)構(gòu)設(shè)計 增材制造

【摘要】：紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件具有一系列獨特的結(jié)構(gòu)特征,如結(jié)構(gòu)元素(紗線)的多取向、良好的結(jié)構(gòu)整體性與結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、優(yōu)異的結(jié)構(gòu)效能等,使得該類預(yù)制件在復(fù)合材料等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)有先進紡織預(yù)成形工藝與技術(shù)為紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)提供了一種有效途徑,但是其結(jié)構(gòu)成形依然存在若干局限,如結(jié)構(gòu)參數(shù)易波動、可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有限、結(jié)構(gòu)成形自動化程度低、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的批量個性化難以實現(xiàn)等。不同于傳統(tǒng)的制造技術(shù)與工藝,增材制造技術(shù)具有“直接成形”與“層層累積”的特點,為紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)提供了新機遇。本論文主要研究了關(guān)于紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件增材制造的相關(guān)問題。其中,涉及紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件新結(jié)構(gòu)的設(shè)計、基于熔融沉積成形(FDM)技術(shù)的增材制造、所得增材制造紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與軸向壓縮性能表征等幾個方面。首先,本文對四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件的細觀結(jié)構(gòu)與三維正交機織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件的拓撲結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。對于四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件,給出了一種更直接的嚴格證明預(yù)制件中編織紗分組數(shù)的方法,首次觀察了[m,m]排紗模式下紗線組在預(yù)制件橫截面中的分布特征并對其進行了嚴格的證明;基于上述研究結(jié)果,提出了四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件中均勻混雜的兩種實現(xiàn)方法—“組間混雜”法與“組內(nèi)混雜”法,提出了四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件中特定“雙邊型”混雜的一種實現(xiàn)方法—基于“混雜連接單元”的方法,并引入了“混雜均勻系數(shù)”r對混雜的均勻程度與穩(wěn)定程度進行定量評價。對于三維正交機織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件,在分析其紗線交織特點的基礎(chǔ)上對預(yù)制件進行了拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)果表明:在笛卡爾直角坐標系中有兩種不同的預(yù)制件拓撲結(jié)構(gòu),在柱面坐標系中有四種不同的預(yù)制件拓撲結(jié)構(gòu),在球面坐標系中有四種不同的預(yù)制件拓撲結(jié)構(gòu);此外,將不同坐標系進行結(jié)合,可得到具有三維正交特征的更復(fù)雜預(yù)制件,從而極大地拓寬了設(shè)計空間。結(jié)合紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件結(jié)構(gòu)的“周期性”與“多層次性”特點,本文明確了紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件用于增材制造的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的相關(guān)問題;利用FDM技術(shù)制備了一系列典型的紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件,所得預(yù)制件與其模型之間具有良好的結(jié)構(gòu)保真度,證明了紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的增材制造的可行性;利用FDM技術(shù)對設(shè)計所得的三維正交機織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件進行了制備,驗證了所述紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的設(shè)計方法的可行性;進一步利用FDM技術(shù)制備了短碳纖維增強三維正交機織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件,結(jié)果表明,短碳纖維在所得增強預(yù)制件中沿著打印線方向呈良好的取向分布。利用X-ray μ-CT技術(shù),本文對所得增材制造紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的微觀結(jié)構(gòu)特征進行了表征。結(jié)果表明,由于FDM技術(shù)的工藝特點,所得試件中存在三種不同形狀與分布特點的縫隙、孔洞,不同縫隙、孔洞之間具有良好的連通性,模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對所得預(yù)制件的結(jié)構(gòu)保真度與清晰度以及樹脂對預(yù)制件的填充效果均有較為顯著的影響。為了研究增材制造紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的力學(xué)性能,本文對所得試件進行了軸向壓縮測試,并利用X-rayμ-CT技術(shù)對壓縮后的試件進行了三維掃描、重構(gòu)。結(jié)果表明,預(yù)制件結(jié)構(gòu)種類、組分材料種類以及預(yù)制件模型結(jié)構(gòu)參數(shù)等均對所得試件的軸向壓縮性能具有顯著影響;增材制造紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料試件在軸向壓縮載荷下的結(jié)構(gòu)損傷形式包括紗線的斷裂、基體-紗線之間的脫粘、以及樹脂基體的開裂等。此外,為了研究打印方向這一重要工藝參數(shù)對所得紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響,本文選取了0°、45°與Z向三個不同的打印方向來制備四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件。結(jié)果表明,在利用FDM技術(shù)制備紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件時,不同打印方向?qū)?dǎo)致所得預(yù)制件微觀結(jié)構(gòu)的不同,進而導(dǎo)致預(yù)制件及其復(fù)合材料試件的力學(xué)性能的差異。最后,針對研究中發(fā)現(xiàn)的問題與紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件增材制造未來可能的發(fā)展趨勢,本文對可能的解決途徑與實現(xiàn)方法進行了討論與展望。通過本文的前瞻性系統(tǒng)研究,驗證了紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的新結(jié)構(gòu)設(shè)計與增材制造的可行性,對于新型結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、小批量/單個、批量個性化紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的開發(fā)與快速、高效制備具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。在增材制造領(lǐng)域內(nèi),首次開發(fā)了紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及復(fù)合材料。在材料無法做成連續(xù)長纖維或紗線的很多情況下,本文所涉及的短纖維增強紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及復(fù)合材料在功能復(fù)合材料領(lǐng)域有望獲得廣泛應(yīng)用前景。同時,本文揭示了四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件中編織紗的分組情況與紗線組的分布情況,對于設(shè)計具有特定結(jié)構(gòu)的四步法三維編織物結(jié)構(gòu)預(yù)制件,實現(xiàn)紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件的結(jié)構(gòu)功能一體化具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TS105.11;TB33

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 余國興;女裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[J];東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2001年06期

2 劉靜茹;對房屋戶型結(jié)構(gòu)設(shè)計更新的研究[J];油氣田地面工程;2004年04期

3 宋領(lǐng)法,張路輝;濮陽建海工貿(mào)大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];煤礦設(shè)計;2000年11期

4 李瑞琪;如何優(yōu)化膠鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];中外鞋業(yè);2001年06期

5 趙紅民,劉曉蓮,趙樸,朱軍;在結(jié)構(gòu)設(shè)計中節(jié)約鋼材[J];油氣田地面工程;2003年08期

6 鄧旭堅;計算機的發(fā)展與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];內(nèi)蒙古石油化工;2005年06期

7 施凱;;鞋類計算機輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];中國皮革;2006年10期

8 王金順;;結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];同煤科技;2008年04期

9 史志強;劉志杰;;結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題的幾點看法[J];內(nèi)蒙古石油化工;2010年01期

10 陳思云;王萍;;連身帽的結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J];輕紡工業(yè)與技術(shù);2012年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 宋喬;楊翊;;結(jié)構(gòu)設(shè)計基本問題的初步探討[A];土木建筑學(xué)術(shù)文庫(第12卷)[C];2009年

2 林少培;沈為平;;結(jié)構(gòu)設(shè)計的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[A];中國土木工程學(xué)會計算機應(yīng)用分會第七屆年會論文集[C];1999年

3 丁北斗;耿歐;孫冬明;李勇雷;;揚州寶勝集團大門結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];第五屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2005年

4 范錦芳;;結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題分析與研究[A];2014年6月建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2014年

5 張桂元;馬亞丹;;造價從業(yè)者應(yīng)該注意的結(jié)構(gòu)設(shè)計術(shù)語[A];土木建筑學(xué)術(shù)文庫(第12卷)[C];2009年

6 林少培;沈為平;;結(jié)構(gòu)設(shè)計的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[A];中國土木工程學(xué)會計算機應(yīng)用分會第七屆年會土木工程計算機應(yīng)用文集[C];1999年

7 李同范;楊樹倫;徐金聲;;大鐘寺農(nóng)貿(mào)市場批發(fā)大廳結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];第九屆全國混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)術(shù)交流會論文集[C];1996年

8 李果;殷忠生;;清華大學(xué)西區(qū)學(xué)生食堂結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];第九屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集第Ⅱ卷[C];2000年

9 李美東;邊凱;;天津藥業(yè)綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];第十二屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集第Ⅲ冊[C];2003年

10 周健;項玉珍;陸鳳藻;花更生;;蘇州市體育中心體育場結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];第二屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2002年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 譚俊;結(jié)構(gòu)設(shè)計：避開誤區(qū)方能創(chuàng)造理想空間[N];建筑時報;2007年

2 柯梅麗　張美薇 劉聯(lián)偉 陳之泉 王離;以執(zhí)著精神描繪建筑人生[N];廣東建設(shè)報;2008年

3 龔進;中美結(jié)構(gòu)設(shè)計的差異[N];建筑時報;2011年

4 陳輝;在結(jié)構(gòu)方案中探索學(xué)科進步[N];建筑時報;2006年

5 本報記者 劉關(guān);SK大廈的省錢經(jīng)[N];中國房地產(chǎn)報;2009年

6 本報記者 陳夢妤;成功預(yù)警+結(jié)構(gòu)設(shè)計：把地震傷害關(guān)進籠子[N];中華建筑報;2013年

7 沈祖炎　王燁華 李元齊 （中國工程院院士、同濟大學(xué)教授 沈祖炎）;結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)秀設(shè)計(四)[N];中國建設(shè)報;2013年

8 韓慶文 王繼川;科技先鋒為創(chuàng)新而求索[N];廣東建設(shè)報;2006年

9 本報記者 陳蜜　尤成勇 報道組 陳暉;空間結(jié)構(gòu)設(shè)計堪比“水立方”[N];溫州日報;2011年

10 甘立平;家具的藝術(shù)美[N];中國物資報;2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 權(quán)震震;紡織結(jié)構(gòu)多向預(yù)制件及其復(fù)合材料的增材制造：結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備以及表征[D];東華大學(xué);2017年

2 岳建如;空間可動結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制分析[D];浙江大學(xué);2002年

3 周玉石;結(jié)構(gòu)設(shè)計的虛擬原型技術(shù)與應(yīng)用研究[D];同濟大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張，

本文編號：1321381