摘要
针刺技术是一种生产工艺简单、低成本、可设计性强的 3D（三维）纤维预制体成型技术。目前，以针刺技术制备的针刺复合材料广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。针刺毡是由纤维梳理成网并利用针刺技术加工制备而成的，针刺过程中，刺针上的倒钩将纤维网上的部分面内纤维抓取到织物面外方向，使得针刺毡的纤维结构变得极其复杂。当针刺毡受外力作用发生变形时，预制体内部的纤维结构将发生很大改变，研究针刺毡的变形机理变得十分困难。准确表征针刺毡的内部几何结构，建立精细化的纤维结构模型是分析针刺毡及其增强复合材料力学性能的重要前提。但独特的3D针刺成形工艺使得针刺毡的内部纤维结构极其复杂，为精细化建模带来很大的困难。本文旨在提出一种3D纤维结构预制体的数值建模方法，研究针刺过程对预制体纤维结构的影响，实现针刺虚拟纤维毡的精细化3D虚拟重构，并利用混合单元技术构建针刺纤维毡的“准纤维”尺度力学分析模型。 本文对国内外针刺预制体及其复合材料的研究现状进行了详细综述和分析，包括针刺预制体及复合材料的发展、应用、试验分析和细观结构建模方法。利用Micro-CT 技术研究了针刺预制体的微细观结构，并统计分析了预制体内部纤维的长度、取向和纤维束聚集宽度等几何参数。通过实验手段研究了针刺纤维毡的拉伸和压缩力学行为，分析了织物的宏观变形特征和微细观纤维结构变形机理。提出了一种3D针刺虚拟纤维毡的精细化数值建模方法，基于统计参数实现了针刺虚拟纤维毡的3D虚拟重构，模型与Micro-CT图像具有很好的一致性。 本文利用混合单元技术将杆单元和梁单元的自由度耦合，构建了混合虚拟纤维，能够准确描述真实纤维较高的抗拉刚度和较低的弯曲刚度，通过混合虚拟纤维构建了针刺纤维毡的“准纤维”尺度力学分析模型，研究了针刺纤维毡在压缩和拉载荷下的力学响应，与传统细观尺度分析模型相比，本文的提出的模型具有更高的计算精度，能够准确重现预制体内部的纤维结构变化。 本课题利用虚拟纤维得到3D针刺虚拟纤维结构的精细化模型，提出的建模方法将有助于了解针刺纤维预制体的内部纤维结构。把纤维毡的针刺成形工艺、内部纤维构造和力学性能联系起来，可形成完整的3D针刺预制体力学性能分析路线，为针刺纤维结构织物的工艺设计和工程应用提供了理论指导。本文的研究成果也将进一步为针刺复合材料成型过程的树脂流动渗透性分析和针刺复合材料的力学性能研究提供良好的基础。
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