三維六向錐管形預制件細觀結構研究

李靜東，蔣 云，李嘉祿

(天津工業大學，天津 300387)

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三維六向錐管形預制件細觀結構研究

李靜東，蔣 云，李嘉祿

(天津工業大學，天津 300387)

研究了逐步全減細纖維束工藝，并利用該工藝實現了三維六向錐管形預制件的制備。通過分析纖維束的運動走向和位置分布，獲得了錐管形預制件的6種單胞；根據不同單胞結構，將預制件分為5個區域，針對5個分區的不同單胞，逐一構建幾何模型，從而得到各部分纖維束在單胞中的排列與分布規律，可視化地表征了逐步全減細纖維束預制件的內部細觀結構。研究成果為預制件幾何尺寸和纖維體積百分含量的計算奠定了基礎，同時為三維六向錐管形預制件的研發提供了理論指導。

逐步全減細纖維束工藝；三維六向錐管形預制件；內部細觀結構；可視化表征

0 引言

三維結構復合材料具有高比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、不易分層等一系列優點，已成為先進復合材料的研究熱點。三維結構復合材料還具有優良的可設計性，一次成型復雜構件，減少二次加工量，通過改變預制件纖維束數量和編織角來達到理想結構和力學性能[1]。三維編織可制備矩形塊狀、圓管[2]或錐管形[3]等截面形狀，也可整體制成其他多種異形截面[4]。高性能三維編織復合材料是發展航空、航天飛行器熱防護系統和耐熱結構件的理想材料[5]。

三維六向錐管形復合材料構件在幾何形狀方面有一定要求，一般采用不同纖維束陣列的圓形制備工藝[6]。對于尺寸較大、性能一致性要求高的錐管構件，采用傳統等截面纖維束制備工藝，將存在無法避免的性能梯度效應[7-10]，應用受到影響。為充分發揮三維結構的整體優點，尋找合理的三維六向制備技術，是工程研究必須面對的課題。

目前，錐管形三維六向預制件制備與應用研究報道并不多[11-12]。為正確預測減細纖維束三維六向錐管形預制件的結構性能，必須對其內部復雜的結構進行詳細研究，建立細觀結構模型，優化制備工藝和整體結構性能。

1 三維六向錐管形預制件制備工藝

1.1 三維六向預制件結構

三維六向結構是在三維五向結構的每個單元中增加與第五向垂直方向的纖維束所獲得的預制件結構形式。一般可通過在三維五向預制件成型平面內的運動陣列中橫向引入纖維束獲得。三維六向結構的第六向纖維束可視為是在三維五向結構的垂直方向增強，織物具有結構更穩定、力學性能更好的特點。通過試驗研究，某航天飛行器熱防護復合材料構件采用三維六向錐管形預制件作為增強相，獲得了良好的使用效果。

1.2 三維六向錐管形預制件制備工藝

三維六向錐管形預制件可在三維五向圓形設備上制造。通過特定的工藝設計，在三維五向設備上，實現第六向纖維束的固定。因此，三維六向錐管形預制件的制備工藝與三維五向工藝加工方法基本相同，只是在設計尺寸時，須考慮第六向纖維束對三維五向預制件內部幾何結構的影響。

當錐管形預制件由大端向小端成型時，要解決在保持結構和性能基本不變的情況下，使預制件尺寸均勻減小，而纖維體積百分含量保持基本不變。作者曾系統研究了各種減紗工藝[13]，通過理論分析和試驗對比，減細纖維束制備工藝能夠滿足三維六向錐管形預制件外形尺寸和纖維體積百分含量的設計要求。

2 三維六向錐管形預制件的減細纖維束工藝

2.1 錐管形預制件減細纖維束工藝思想

三維預制件是基于攜帶纖維束的錠子，在設備上按設定的運動程序不斷變化相互間位置，從而使纖維束互相交織，沿預制件長度方向形成預定結構。預定結構的形狀尺寸除由運動程序決定外，還取決于纖維束的粗細。假設纖維束的截面尺寸可根據預制件截面尺寸的改變而改變，那么變截面的制備就會變得簡單易行。然而，工業化生產的纖維束都是等截面的，均勻改變截面尺寸幾乎無法實現，但可通過設計，在一定位置對纖維束進行等量減細(每次減細的纖維束細度相同)工藝操作。如三維四向、五向和三維六向錐管形預制件可采用此技術方案，參加運動的錠子都會至設備的最外側。此時，可對外側纖維束實施等量減細操作，攜帶減細纖維束的錠子改變運動方向后，向設備的內側運動。三維六向錐管形預制件纖維束根據需要采用多束合股設計，在制備過程中，可進行減細操作，從而實現錐管形截面不斷減小，而纖維體積百分含量又滿足設計要求的目標。

2.2 三維六向錐管形預制件減細纖維束工藝

分析錐管形預制件制備工藝過程得到如下結果：制造設備上，每一個運動錠子都會由設備的最外側順時針(或逆時針)地一步步斜向運動到設備最內側，再從最內側順時針(或逆時針)地一步步斜向運動到設備最外側。也就是每一個錠子都會運動到設備的最外側，只是時間先后不同而已，如圖1所示。圖中，“●，○”表示運動紗錠；“×”表示不參加運動的第五向固定紗錠；“—”表示第六向纖維束運動軌跡。除最外側和最內側錠子外，處于每個軸向固定纖維束錠子周圍的4個運動錠子，有不同的運動狀態，位于同一圈上的運動錠子按同一轉向運動，位于同一列上的運動錠子按同一方向(向內或向外)運動穿過設備。因此，在任一時刻，設備上同時存在著4種運動狀態的錠子：順時針向內運動；順時針向外運動；逆時針向內運動；逆時針向外運動，如圖2所示。圖中，a錠順時針向內；b錠順時針向外；c錠逆時針向內；d錠逆時針向外；“×”表示不參加運動的軸向固定紗錠；“→”表示第六向纖維束運動方向。

圖1 三維六向錐管形預制件某紗錠運動軌跡示意圖Fig.1 Schematic diagram of the trajectory of a spindle in 3D 6-Directional cone tube preform

圖2 錐管形預制件某固定紗錠B周圍的 4個運動紗錠運動示意圖Fig.2 Schematic diagram of four movable spindles around a fixed spindle B in the cone tube perform

而第六向纖維線沿圓周方向分步進行：根據需要控制引入纖維線密度，每完成一個編織循環(二步或四步)進行?？煞謩e獲得如圖3(a)所示的全陣列六向纖維線陣列，即四步法中每2步穿1次緯纖維，且每個間隔均布纖維線，簡稱全陣列三維六向編織工藝；圖3(b)為半陣列六向纖維線陣列，即完成四步法中的所有步驟穿1次緯纖維，且每個間隔均布纖維線，簡稱半陣列三維六向編織工藝；圖3(c)為交錯陣列六向纖維線陣列，即完成四步法中每2步穿1次緯纖維，只間隔布置一半陣列，完成四步法中，其余2步再穿1次緯纖維，與前一次布置位置錯開，簡稱半陣列三維六向編織工藝。

設定每一個錠子的纖維束都由更小單位的纖維束合股而成，當某錠子運動至設備最外側時，減去其中1股纖維束，讓其繼續向設備的內側運動，它攜帶的較細纖維束與從內側向外側運動的未減細的纖維束相遇，組成結構單元，從而形成了帶有減細纖維束的單元。未減細的錠子當運動至最外側時，也被減去一部分纖維束，并繼續從最外側向內側運動，可能與從內側向外側運動的未減細的纖維束相遇，也可能與從內側向外側運動的已減細的纖維束相遇，組成其他形式的結構單元，如圖4所示。

圖3 第六向纖維束的不同陣列Fig.3 Different arrays of the 3D 6-directional fiber bundle

圖4 預制件纖維束軌跡及其減細過程Fig.4 Fiber bundle trace and reducing process of the preform

上述減細纖維束的三維六向錐管形預制件的纖維束截面不斷改變，預制件的截面和單胞尺寸也會隨之改變。確定制備工藝的錐管體在不同軸向高度未減細纖維束與減纖維束所占比例不同，其單胞幾何結構和在同一高度橫截面上具有確定的分布規律。

3 減細纖維束三維六向錐管形預制件單胞構造

為方便研究，結合實際的三維六向預制件的具體情況，進行如下假設：

(1)運動纖維束可看成隨單元幾何形狀變化的折線鏈，如圖5所示；

(2)預制件軸線為一直線，打緊平面為垂直于預制件軸線的相互平行的平面簇；

(3)預制件制備過程中，打緊力均勻；

(4)預制件中纖維線形狀相互擠壓發生變形，但纖維線的橫截面積不變；運動纖維束橫截面形狀等效視為可變六邊形(如圖6所示)，第五向及第六向纖維束截面可等效為可變四邊形形狀(如圖7所示)；

(5)所有運動纖維束至最外層后，減去相同粗細纖維束，即采用逐步全減細纖維束工藝。

圖5 三維編織物中單根纖維束鏈式模型Fig.5 Chain mode of a single fiber bundle in 3D braided perform

圖6 織物單胞幾何結構中4根編織纖維束Fig.6 Four braiding fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

圖7 單胞幾何結構中的第五向及 第六向纖維束Fig.7 The fifth and sixth fiber bundles in geometrical structure of unit cell fabric

3.1 采用全減纖維束工藝的三維六向錐管形預制件區域劃分

根據具有代表性的單胞幾何結構內部纖維束是否減細和減細數量對預制件進行區域劃分，除表面單胞外，不考慮纖維束橫截面積的內部單胞幾何結構的纖維束交叉方法，與其相鄰單胞具有數學意義上的對稱關系(反射對稱和平移對稱)。

根據不同纖維束組合結果，對三維六向錐管形預制件幾何結構進行區域劃分(圖8)：未減纖維束區、未減纖維束與減纖維束過渡區、逐步減纖維束區、逐步減纖維束與完全減纖維束過渡區和完全減纖維束區。

圖8 三維六向錐管預制件區域劃分Fig.8 Zone division of 3D 6-Directional cone tube preform

3.2 三維六向錐管形預制件區域纖維束交織結構及單胞幾何結構

(1)未減纖維束區

在該區域中，4個不同方向的起始運動和第五、六向纖維束交叉成為圖9(a)所示的基礎微單胞結構。通過對基礎微單胞的對稱變換，獲得與其相鄰的微單胞，如圖9(b)所示。相鄰的4個基礎微單胞組成大單胞結構，預制件中兩者的關系，如圖9(c)所示。三維六向錐管形預制件未減纖維束區是由這些纖維線交織方法類似，但體積隨坐標變化而變化的微單胞構成。纖維束采用橫截面相同的組合纖維束組成。面部單胞與傳統幾何結構相同，這里不再贅述。

(a) 基礎單胞A (b) 基礎單胞的XOY

(c) 大單胞幾何結構 (d) 單胞相鄰關系

根據最外側全減細纖維束工藝的逐步實施，未減纖維束區基礎微單胞在徑向的數量逐一遞減。

(2)未減細纖維束與減細纖維束過渡區

在未減纖維束區與減細纖維束區交界處，沿軸向有一列單胞過渡區，如圖10所示。

圖10 未減細與減細纖維束工藝過渡區Fig.10 Transition zone of non-thinning and thinning fiber bundles

沿圓周方向，每個微單胞中有1根減細纖維束，如圖11所示。減細纖維束為周向減細首次進入預制件內部的同向纖維束。

圖11 工藝過渡區相鄰2種結構單胞Fig.11 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

(3)逐步減纖維束區

在逐步減細纖維束區，每個單胞中有2段減細纖維束，微單胞幾何結構有2種，如圖12所示。每個單胞中，有2根起始纖維束和2根減細纖維束。

逐步減纖維束區在三維六向錐管形預制件幾何結構中，呈軸剖面為三角形的環狀結構。所有單胞中，減細纖維束方向由預制件外側向預制件內側傾斜，如圖13 所示。

圖12 逐步減細纖維束區2種結構單胞Fig.12 Two kinds of micro unit cell structure in gradually thinning fibers zone

圖13 三維六向錐管預制件逐步減細纖維束區幾何結構Fig.13 The geometric structure of the gradually thinning fibers zonein 3D 6-Directional cone preform

(4)逐步減細纖維束與完全減細纖維束過渡區

在逐步減纖維束與完全減纖維束交界處，有一層過渡區單胞，如圖14所示。

圖14 逐步減細與完全減細纖維束過渡區Fig.14 Transition zone of gradually thinning fibers and completely thinning fibers

該區域單胞幾何結構有2種，如圖15所示。每個單胞中有1根原始纖維束，3根減細纖維束。

(5)完全減細纖維束區

纖維束全減細后，預制件幾何結構單胞如圖16所示。

圖15 過渡區相鄰2種幾何結構單胞Fig.15 Two kinds of adjacent structural unit cell in transition zone

圖16 三維六向錐管預制件完全減紗區Fig.16 Completely thinning fibers zone in the 3D 6-Directional cone tube preform

預制件在完全減纖維區纖維束全部為減細纖維，軸向固定纖維及第六向纖維橫截面積不變，只發生幾何形狀變化。

3.3 全減纖維工藝三維六向錐管形預制件幾何結構特征

采用逐步全減纖維束三維六向制備工藝，可設計幾何尺寸改變，而其他性能基本一致的三維六向錐管形預制件。根據纖維束組合方案不同，將錐管形預制件沿軸向(預制件編織成形方向)分為5個區，每個區呈現不同的環狀幾何結構。在不同的區內，有2種結構不同但具有對稱性的相鄰單胞，并在同一區內周期性重復(不包括其性能重復)。不同區域的單胞減細纖維束的根數不同，從錐管形預制件大端到小端分區中減細纖維束的根數依次為0、1、2、3和4。隨減細纖維束根數的遞增，不同區域單胞中交織方式不變，單胞的幾何尺寸發生變化。在打緊狀態一致的情況下，單胞體積隨減細纖維束根數的增加呈遞減趨勢。通過調整編織花節的大小，即可對預制件的幾何尺寸和纖維體積百分含量進行較精確的設計。表1列出了錐管形預制件區域劃分及對應區域中不同單胞的幾何結構特征。

表1 錐管預制件分區及對應不同分區單胞幾何結構的特征Table 1 Zone division of cone tube perform and the characteristics of geometrical structure of unit cell in different zone

4 結論

(1)對三維六向錐管形預制件的單元結構研究得到，采用逐步全減纖維束工藝的錐管形預制件，可根據纖維束是否減細和減細數量不同，分為未減纖維束區、未減纖維束與減纖維束過渡區、逐步減纖維束區、逐步減纖維束與完全減纖維束過渡區和完全減纖維束區。各個區域呈現不同的環狀幾何結構，不同的區域纖維束交織狀態未發生變化，但各個區域單胞中減細纖維束的根數不同，導致錐管形預制件在不同區域單胞體積發生變化，從而滿足了構件的幾何形狀要求；針對5個分區的不同單胞，逐一構建幾何模型，從而得到各部分纖維束在單胞中的排列與分布規律，為預制件幾何尺寸和纖維體積百分含量計算奠定基礎。

(2)本文研究了三維六向錐管形預制件在外側逐步全減細纖維束技術，且只論述了在預制件外側減細一次的纖維束減細工藝。在預制件尺寸變化較大時，可考慮二次減細或多次減細，還可采取非均勻減細等方法，以滿足預制件幾何尺寸和密度變化等方面的要求，這部分工作還有待今后進一步研究。

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[13] 蔣云. 具有完整單元三維五向截錐體織物的單元結構解析及數據集成[D]. 南京工業大學, 2004.

(編輯：薛永利)

Microstructure research of 3D 6-directional cone tube preform

LI Jing-dong, JIANG Yun, LI Jia-lu

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The gradually whole thinning fiber-bundles process was investigated, and this process was used to prepare 3D 6-Directional cone tube perform. By analyzing the movement and position of the fiber-bundles, six kinds of unit cells of the preform were acquired. According to the different structures of unit cells, the preform was divided into five zones. Several geometric models were constructed step by step for different unit cell in five zones. The rule of arrangement and distribution of the fiber bundle in unit cell of different zones were obtained. The inner microstructures of cone tube preform with gradually whole thinning fiber-bundles were visually characterized. The research lays the foundations for the analysis of geometrical dimensions and calculation of fiber volume percentage for the preform. At the same time, the research provides theoretical guidance for the research of 3D 6-Directional cone tube perform.

gradually whole thinning fiber-bundles process；3D 6-directional cone tube preform；inner microstructure；visually characterized

2015-01-05；

：2015-06-07。

李靜東(1972—)，副教授，研究方向為三維編織結構。E-mail:lijingdong @tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)06-0882-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.025