三维横编间隔织物复合材料是一种新型的三维针织结构复合材料,抗冲击性能强,在桥梁、汽车、航空航天等工业制造领域中都有极好的发展前景。其增强体为横编间隔结构,在外形上间隔织物的独特之处就是结构整体性好、硬度高、质量轻,中空的一体化结构稳定牢固,间隔层有较好的耐热、隔音、耐冲击等优异性能。这种间隔增强复合材料对冲击载荷比较敏感,由冲击载荷引起的损伤会严重影响其力学性能。而在实际生产及使用过程中,可能发生各种意外地撞击,如工具掉落、飞石撞击等,加上该复合材料在实际应用领域多以带曲率的形式存在,因此研究不同曲率的横编间隔织物复合材料的力学性能,尤其是低速冲击性能及有限元模拟预测具有较强的现实意义,也是本课题研究的重点。本课题研究了横编曲面间隔织物的编织工艺,设计了不同曲率的间隔结构增强体;制成了不同曲率的复合材料,研究了复合材料的压缩性能及复合材料的低速冲击与剩余强度;建立了不同曲率复合材料的有限元模型,与实验结果进行比对,检验建立的模型与理论分析方法是否正确,进而预测其他不同曲率复合材料的力学性能。主要研究内容如下:首先,在电脑横机上用芳纶纱编织了新型双层罗纹连接中间层的横编间隔织物,探讨了编织步骤和编织工艺。在此基础上通过在间隔织物纬向的两个表层衬入芳纶增强纱,改进了织物的力学性能。通过调整编织程序,开发出不同曲率的间隔织物。在英斯特朗电子万能材料试验机上测试平面织物(有增强纱和无增强纱)的横、纵向拉伸性能,比较分析这2种织物的应力-应变曲线。结果表明,在其他条件相同时,有增强纱的三维横编间隔织物横向、纵向拉伸应力增加明显,变形较少,织物尺寸稳定。进而将三维横编间隔织物织成平面与曲面2种,通过真空辅助树脂传递模塑技术(VARTM),制备了14种不同曲率的复合材料,曲率半径分别为300mm、160mm、120mm、+∞。开发力学性能更好的织物增强体并制备复合材料,为后续复合材料力学性能的研究奠定了基础。其次,研究了三维横编间隔织物增强复合材料的压缩性能。将不同曲率增强复合材料置于电子万能材料试验机上测试压缩性能,分组比较其载荷与位移曲线。结果表明,在其他条件相同时,对于曲面复合材料:(1)无衬纬织物复合材料,不论是平面间隔织物复合材料还是曲面间隔织物复合材料,横向压缩峰值都明显高于纵向;同组复合材料横向压缩峰值随着试样曲率的增大而增大,纵向压缩峰值随着试样曲率的增大而减小。(2)衬纬织物复合材料,不论是平面间隔织物复合材料还是曲面间隔织物复合材料,横向压缩峰值都明显高于纵向;同组复合材料随着试样曲率的增大,压缩载荷峰值也逐渐增大。研究复合材料试样的压缩性能,为后续曲面复合材料的低速冲击性能和剩余压缩余强度的对比研究提供了数据。然后,通过实验研究三维横编间隔织物增强复合材料的低速冲击性能及冲击后的剩余压缩强度。压缩方向为横向、纵向2种,研究了不同增强体结构复合材料的剩余压缩强度变化规律;选出最优结构后,再进行曲率和剩余压缩强度的对比分析。得到结论:(1)利用冲击后测量损伤面积和单一变量的方法研究复合材料的低速冲击性能及其影响因素,在研究过程中,操作方便,结果直观,是进行类似研究的一种比较好的方法。(2)平面织物增强体与曲面织物增强体对复合材料的低速冲击性能和剩余压缩强度的影响不同,利用单一变量方法比较出,曲面织物增强体对该2种性能表现为积极影响的方面较多,且影响程度较大。(3)增强体织物的衬纬与否也会影响复材的低速冲击性能和剩余压缩强度,衬纬因素在大部分试验中表现为积极效应,但是该因素影响不大。(4)对复合材料低速冲击性能和剩余压缩强度影响最大的是复合材料的曲率半径。曲率半径越小的复合材料,曲率越大,材料表现越弯曲,在低速冲击实验和剩余压缩强度的横向压缩中增益效果表现越突出。通过全面系统地对比实验数据,分析和描述典型试样的破坏形貌,为后续有限元数值模拟及预测提供实验依据。最后,进行有限元数值模拟。利用有限元ABAQUS软件,建立不同曲率复合材料的有限元模型。依然通过单一变量原则,对损伤面积、应力分布、能量吸收、破坏机理等方面进行有限元计算与分析,与实验结果进行对比,检验建立的模型与理论分析方法是否正确。再添加曲率半径为+∞和100mm两个曲率的试样模型,通过数据对比研究试样抗冲击性能的趋势,用以预测其他不同曲率复合材料的力学性能。数据结果表明:复合材料的弯曲程度越大,承载能力越强;随着曲率的不断增大,抗冲击性能优势递减。通过实验与模拟相结合,表明建立的有限元模型能够对不同曲率复合材料的抗冲击性能进行很好的预测,为该复合材料的应用提供理论依据。