三維編織的案例
RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
三維編織復合材料是利用紡織技術，通過編織形成干態預成形件，將干態預成形件作為增強體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹脂膜滲透工藝（RFI），進行浸膠固化，直接形成復合材料結構。作為一種先進的復合材料，已成為航空、航天領域的重要結構材料, 并在汽車、船舶、建筑領域及體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。傳統復合材料經典層合板理論已無法滿足其力學性能分析，國內外學者建立了新的理論和分析方法。
三維編織復合材料是仿織復合材料之一，是由采用編織技術織造的纖維編織物（又稱三維預成形件）所增強的復合材料，其具有高的比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優異特點。三維編織復合材料作為一種先進的復合材料，倍受工程界關注，業已成為航空、航天領域的重要結構材料，并在汽車、船舶、建筑領域、體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。
三維編織復合材料的發展是因為單向或二向增強材料所制得的復合材料層間剪切強度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術引入工程應用中。所謂3D編織技術是通過長短纖維在空間按一定的規律排列，相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，使復合材料不再存在層間問題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點是能制造出各種規則形狀及異形實心體，并可使結構件具有多功能性，即編織多層整體構件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonalbraiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。
展開 RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
三維編織復合材料是利用紡織技術，通過編織形成干態預成形件，將干態預成形件作為增強體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹脂膜滲透工藝（RFI），進行浸膠固化，直接形成復合材料結構。作為一種先進的復合材料，已成為航空、航天領域的重要結構材料, 并在汽車、船舶、建筑領域及體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。傳統復合材料經典層合板理論已無法滿足其力學性能分析，國內外學者建立了新的理論和分析方法。
三維編織復合材料是仿織復合材料之一，是由采用編織技術織造的纖維編織物（又稱三維預成形件）所增強的復合材料，其具有高的比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優異特點。三維編織復合材料作為一種先進的復合材料，倍受工程界關注，業已成為航空、航天領域的重要結構材料，并在汽車、船舶、建筑領域、體育用品和醫療器械等方面得到了廣泛應用。
三維編織復合材料的發展是因為單向或二向增強材料所制得的復合材料層間剪切強度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術引入工程應用中。所謂3D編織技術是通過長短纖維在空間按一定的規律排列，相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，使復合材料不再存在層間問題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點是能制造出各種規則形狀及異形實心體，并可使結構件具有多功能性，即編織多層整體構件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonalbraiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。
展開 三維編織碳纖維車身結構的開發技巧
三維編織CFRP車身結構的創新應用及難點
將CFRP制成中空封閉截面結構，是這一新興輕量化材料的重要發展方向之一。目前，常見的CFRP中空封閉截面結構的預成型方法有拉擠成形法、卷管成形法、纏繞成形法、三維編織成形法等幾類。前三種方法由于工藝條件所限，存在成形結構簡單、制造周期長、產品質量穩定性較差等問題，難以滿足汽車大批量生產的要求。而三維編織成型法是一種在芯模表面上直接編織成三維結構的預成形工藝，具有結構設計性好、集成度和成形效率高等優點，可實現中空封閉截面結構一體編織成型，適用于中空梁類零部件，如頂蓋橫梁、上邊梁、門檻梁等，并已在寶馬新7系車型中成功量產應用。
由于三維編織一體成形結構設計自由度大，編織工藝復雜，編織參數繁多，不同的編織參數和原材料組合都將改變CFRP力學性能。試驗測試方法存在樣片制作和試驗周期長、費用高等問題，而目前三維編織CFRP的仿真分析方法不成熟，材料數據庫缺失，也無法采用傳統的層壓板仿真方法對CFRP進程性能分析預測。如何合理的應用仿真技術去指導開發設計，是三維編織CFRP在汽車上的應用難點和核心技術。
三維編織CFRP細觀力學性能研究
通過三維編織CFRP細觀力學性能研究，掌握三維編織CFRP力學性能預測及優化仿真方法。將三維編織CFRP單胞（形成復合材料的服從周期分布的最小重復單元，見圖1）作為研究對象，其基本構成包括四部分：兩個編織方向的編織紗束（玻纖）、軸向紗束（碳纖）以及基體（樹脂）。仿真過程中首先分別對絲束和基體進行解析模擬，然后通過加權算法將各部分的彈性數值模型進行復合，基于漸進失效準則來預測材料的強度，形成三維編織CFRP細觀力學參數化解析模型。
基于參數化解析模型對三維編織CFRP力學性能進行分析，通過材料樣片試驗結果對模型進行修正，以保證模型精度。
展開 利用Digimat-FE對三維五向編織復合材料進行性能表征
三維編織復合材料作為一種新型的復合材料, 由于它具有整體異形性和三維預制體制造等優點和靈活的性能可設計性, 在國內外航空、航天等領域得到了廣泛的應用。近 20 年, 國內很多科研機構都對對三維編織復合材料力學性能開展了系列研究。
三維四向編織復合材料克服了傳統層合復合材料的分層開裂敏感、抗沖擊損傷性能差等缺點, 厚度方向強度得到了很大提高, 但同時面內性能有所下降。為了提高三維編織復合材料的縱向性能, 發展了三維五向編織復合材料。
三維五向編織結構是在基本的三維四向編織結構基礎上, 在編織過程中引入沿編織成型方向不動的紗線而形成的一種新的整體編織結構。在三維四向編織結構中, 所有的編織紗線均與編織成型方向有一個夾角,共有四種空間傾斜方向, 部分紗線通過了材料的厚度方向, 有效提高了材料厚度方向的性能, 但是, 同時使材料的面內性能有所下降。而在三維五向編織結構中, 除了有四組傾斜分布的編織紗線以外, 還有一組沿材料縱向 (編織成型方向或第五向) 分布的紗線。縱向紗線幾乎處于伸直狀態, 可以改善材料縱向性能。
三維四向編織、三維五向編織示意圖
三維編織材料的性能表及測試方法都未形成成熟的標準, 需要進一步進行研究探討。下面將通過Digimat-FE對三維五向編織進行建模，通過Digimat-FE計算三維五向編織材料的工程常數，以實現通過仿真對三維五向編織材料性能的預測。
首先，在Digimat-FE中定義材料屬性。分別包括基材與纖維特性
接下來定義每相特性與RVE特性，
最終就可以生成三維五向編織的RVE模型如下圖所示
然后對模型進行像素網格劃分
選擇計算工程常數
最終可計算出工程常數
從上述過程可以看到，通過Digimat-FE我們可以很方便的對三維編織材料的力學性能進行表征。
展開 
聯合使用Hetval和USDFLD模擬三維編織復合材料沖擊損傷生熱
三維編織復合材料具有復雜的細觀結構，附件文獻對三維編織復合材料沖擊損傷生熱進行了細致的研究。他們分別建立了樹脂基體和纖維束，再進行幾何體的組裝，如下圖所示：
用這種方式建立的三維模型，建模比較復雜，網格的劃分也特別費時費力，而且很容易出現計算不收斂的情況，在此推薦另一鐘做法，直接用USDFLD定義場變量的方式，區分樹脂基體和纖維束，用這種方式建模的模型如下所示：
詳情可以參考這篇文獻：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017341595?via%3Dihub。
三維編織復合材料吸濕性能有限元分析.pdf
對于某種特定材料，有許多種損傷準則可以選擇。文獻認為，在準靜態情況下溫度場與應力應變的關系為：
其中，k是熱傳導率，T是絕對溫度，C是比熱，a是熱膨脹系數，r和u是彈性常數，p是密度。
此外，在沖擊情況下溫度場與應力應變關系為：
b為材料相關的系數，對于雙酚樹脂，取值為0.25。
基于上述熱力耦合的本構模型，工作室通過聯合USDFLD和Hetval子程序，實現了考慮沖擊損傷的熱力耦合本構模型，得到的結果如下圖所示：
詳細信息參看文獻：
熱力關系文獻.pdf
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展開 基于Abaqus的umat子程序實現三維編織復合材料疲勞性能預測
后記
最后，筆者在這邊強調下，本文提到的方法適用面較廣，不僅僅只針對于三維編織復合材料，對于一般的纖維增強復合材料均可適用，只需在Umat子程序中調整對應參數即可。同時，大家若有更好的想法、建議或相關需求，可通過公眾號或站內私信聯系我們。
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參考文獻：
馮繼強. 三維四向編織復合材料疲勞性能研究[D]. 2017.
分享諾丁漢大學復合材料三維編織結構建模工具包（附說明書及參考文獻）
給大家分享一個諾丁漢大學編寫的三維編織復合材料建模工具包，附件有文獻和使用說明。程序時公開的，但是使用時記得在參考文獻中注明其出處哦。
以下是程序界面，軟件名稱TexGen,軟件生成的編制結構可導入幾大有限元軟件，效果還不錯。
程序界面
文件過大，可通過以下鏈接下載：
鏈接：http://pan.baidu.com/s/1gfwSeg7 密碼：ie9r
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母親節特稿 | Digimat 編織材料，傳遞溫暖
概述
提起母親，總是要想起小時候，寒冷冬夜里挑燈給小編織的毛衣、圍巾，雖然粗糙，但是溫暖。如今，雖然可以很便利的買到各種款式新穎、花紋漂亮、材質保暖的毛衣，但是母親的溫暖卻是買不到的。作為一個復合材料從業人員，編織毛衣小編是不會的，不過在母親節來臨之際，利用自己的所學，做一個編織材料的小算例，回饋母愛，也作對天下母親的祝福。
典型的編織結構示意
挑戰
復合材料中編織復合材料的原理和編織毛衣的原理是很類似的，編織復合材料具有高度整體化的空間互鎖網狀結構，可有效避免傳統層和復合材料的分層破壞，沖擊韌性、損傷容限與抗疲勞特性優異，結構可設計性強，能夠實現異形件的凈尺寸整體成型，因此在結構材料領域倍受關注。
三維紡織復合材料還具有損傷后易修理、工藝上便于整體成型和一次成型的優點，可減少零件和模具的數量。目前，采用三維編織復合材料可以制作飛行器、汽車等上的多種不同形狀的承力梁、接頭，多種形式的耐燒蝕、高承受力的圓筒形、錐筒形的制件；還可以在人造生物組織方面發揮作用，制作人造骨、人造韌帶，以及制作接骨板等。在保證力學性能相同或提高的情況下，大大減輕這些制件的重量，從而使整個飛行器、汽車等的性能得到提高。三維編織材料的性能計算一直是編織材料設計的重要組成成分。
傳統編織材料的分析結構分析流程只能在CAD中創建，導入有限元軟件之中，劃分網格，計算，然后在通過計算后處理手動計算出RVE性能。基本一個流程走下來沒有一周的時間是無法完成的。加上反復的迭代，項目完成的時間是無法估計和保證的。那么，如何加快編織復合材料性能計算呢？
展開 未來的汽車將采用革命性3D打印防震材料制成
他們通過使用3D編織技術紡織復合板材與選定的無粘合纖維實現了這種幾乎不可能的材料組合，允許材料內部移動和吸收振動，同時周圍材料保持剛性。
三維編織格子分兩個階段制造。首先，通過堆疊相互正交的經線和填充線來編織由金屬線構成的織物，其中Z線穿過厚度并纏繞頂部和底部填充線，將織物結合在一起。其次，釬焊將電線連接成3D互連的剛性框架。
（a）3D編織（3DW）晶格材料由Z-（綠色），經線（紅色）和填充（藍色）線組成
（b）黃色表示釬焊位置（頂部和底部）
（c）具有剛性骨架（頂部和底部的釬焊部分）和結構核心中的自由晶格構件的3D編織格子的橫截面
（d）釬焊頂面的SEM圖像，其證實了冶金結合金屬格子
激光多普勒振動（LDV）設備在高頻下測量3D編織網格的頻率響應
這種新型的阻尼超材料在廣泛的重量敏感應用中具有潛在的用途，這些應用需要在高頻下振動衰減。此外，這些材料的主要優點是高度可擴展、允許多材料晶格并且易于選擇性粘合，這對我們的架構至關重要。
研究人員認為，他們的新材料可以使火車、汽車和飛機等交通工具迎來新一輪更新，讓客戶在旅途中幾乎不會受到任何振動。
（來源：3D虎）
展開 碳纖維/聚合物復合材料熱導率近十年研究進展
除定向外，部分研究人員還通過對 CFs 進行編織來構建導熱通道，提升復合材料的熱導率。
Dong 等人研究了二維機織結構 CFs 增強EP 的熱導率，二維機織復合材料在 3 個正交方向上的熱導率表現出明顯的各向異性。沿 CFs 軸向的熱導率高于 CFs 徑向的熱導率，面內方向的熱導率高于厚度方向的熱導率。
Dong 等人通過有限元分析了三維編織 CFs增強 EP 復合材料熱導率，結果表明：三維編織可提升厚度方向的熱導率，使其高于面內方向的熱導率，熱流主要沿 CFs 軸向傳遞，復合材料的熱導率隨著溫度升高而升高。
Gou 等人用有限元分析了三維編織 CFs 體積分數和內部編織角對 EP復合材料熱導率的影響。復合材料厚度方向和面內方向的熱導率隨 CFs 體積分數的增加而增加，內部編織法向夾角減小導致厚度方向熱導率的增加，面內熱導率降低。
Zhao 等人研究了 2.5D 傾角互鎖機織 CFs、2.5D 傾角（經向增強）互鎖機織 CFs 和三維正交機織 CFs 增強 EP 復合材料熱導率，三種復合材料熱導率相比較而言，具有三維正交機織復合材料的熱導率最高，熱導率在經紗和緯紗方向上均表現出各向異性；2.5D 傾角（經向增強）互鎖機織復合材料的熱導率隨著 CFs 體積分數的增加而逐漸增加。
上述文獻表明：編織 CFs 能夠在復合材料內部構建連續導熱通路，提升復合材料的熱導率，三維編織可提升厚度方向的熱導率。
03
CFs 表面改性
CFs 表面具有較大的化學惰性，導致 CFs 與聚合物基體之間相容性比較差，易產生間隙，降低復合材料的熱導率。對 CFs 表面進行改性，提高其表面活性，使其更好的與聚合物結合，減少接觸間隙，有利于提高 CFRP 復合材料的熱導率。
展開 Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用
本課程暫定分為以下7個章節：
1.Digimat簡單概述
2.二維混凝土（骨料相+砂漿相+纖維相）
3.三維混凝土（骨料相+砂漿相+纖維相）
4.三維編織復合材料（纖維相+基體相）
5三維細觀復合材料FRP（層內纖維取向相同）
6.三維泡沫金屬材料（孔洞+基體相）
7.Abaqus細觀復合材料仿真實例
課程鏈接：
https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c17260
最后，有相關需求歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
展開 
ABAQUS四旋翼無人飛行器仿真分析
圖２ 系留型多旋翼飛行器有限元模型
該旋翼飛行器各接頭采用鋁合金７０７５，支撐臂、起落架、中心架等均采用三維編織Ｔ３００碳纖維復合材料。使用的各種材料的參數如表１所示。
表1 旋翼無人飛行器所用材料的力學參數材料
邊界條件的確定
旋翼飛行器在飛行過程中處于完全自由的狀態，存在剛體運動，結構處于靜力不平衡狀態。因此，用有限元對其進行靜力學分析時，存在約束不足的問題
在實際處理時，可對該結構施加相應的慣性載荷，將之轉化為準靜態問題，進而施加約束于剛體運動自由度。本文利用慣性釋放（Ｉｎｅｒｔｉａｒｅｌｉｅｆ）法，在飛行器上自動施加慣性載荷以保證結構的受力平衡。
力學仿真結果及分析
1.旋翼升力與自重作用下的仿真分析
該旋翼無人飛行器工作時，旋翼單軸最大升力為８ｋｇ（電機功率為１．２ｋＷ，短時工作１０ｍｉｎ）。考慮最大升力及結構的自重時，該旋翼飛行器結構的應力云圖及變形云圖如圖３所示。
圖３ 旋翼升力與自重作用下的應力云圖及變形云圖
旋翼無人飛行器的最大變形（０．６２ｍｍ）位于螺旋槳處。鋁合金結構的最大應力為４０．１５ＭＰａ，位于任務載荷連接框與系留纜繩連接桿間連接孔處；復合材料結構最大應力為２４．４４ＭＰａ，位于中心架的安裝孔處。結構的變形和應力均較小，具有較高的安全裕度，不會發生破壞。
安全裕度計算公式為
MS＝σｓ
σｍａｘf－１
式中：MS為安全裕度；σｓ為最大許用應力；σｍａｘ為計算得到的最大應力；f為安全系數，本文取１．５。
展開 四旋翼無人飛行器仿真分析
圖２ 系留型多旋翼飛行器有限元模型
該旋翼飛行器各接頭采用鋁合金７０７５，支撐臂、起落架、中心架等均采用三維編織Ｔ３００碳纖維復合材料。使用的各種材料的參數如表１所示。
表1 旋翼無人飛行器所用材料的力學參數材料
邊界條件的確定
旋翼飛行器在飛行過程中處于完全自由的狀態，存在剛體運動，結構處于靜力不平衡狀態。因此，用有限元對其進行靜力學分析時，存在約束不足的問題
在實際處理時，可對該結構施加相應的慣性載荷，將之轉化為準靜態問題，進而施加約束于剛體運動自由度。本文利用慣性釋放（Ｉｎｅｒｔｉａｒｅｌｉｅｆ）法，在飛行器上自動施加慣性載荷以保證結構的受力平衡。
力學仿真結果及分析
1.旋翼升力與自重作用下的仿真分析
該旋翼無人飛行器工作時，旋翼單軸最大升力為８ｋｇ（電機功率為１．２ｋＷ，短時工作１０ｍｉｎ）。考慮最大升力及結構的自重時，該旋翼飛行器結構的應力云圖及變形云圖如圖３所示。
圖３ 旋翼升力與自重作用下的應力云圖及變形云圖
旋翼無人飛行器的最大變形（０．６２ｍｍ）位于螺旋槳處。鋁合金結構的最大應力為４０．１５ＭＰａ，位于任務載荷連接框與系留纜繩連接桿間連接孔處；復合材料結構最大應力為２４．４４ＭＰａ，位于中心架的安裝孔處。結構的變形和應力均較小，具有較高的安全裕度，不會發生破壞。
安全裕度計算公式為
MS＝σｓ
σｍａｘf－１
式中：MS為安全裕度；σｓ為最大許用應力；σｍａｘ為計算得到的最大應力；f為安全系數，本文取１．５。
展開 強度丨浙大：航空發動機機匣包容性研究綜述
連續體模型將復合材料簡化為各向異性的連續介質，在三維方向定義不同的材料性能參數，盡管與真實結構有較大差異，但使用方便。準細觀模型在單胞結構的基礎上得到復合材料整體力學性能。細觀模型根據纖維的真實空間布置建模，纖維和基體分別劃分有限元網格。細觀模型與真實結構完全一致，但有限元網格劃分極細，工作量極大，需要高性能計算機才能完成計算。因此，建立一種工程實用的建模方法滿足纖維增強復合材料機匣包容性分析具有重要意義。
07
總結與展望
因此，研制推質比高、質量輕、污染少的新一代航空發動機的包容機匣，需要在以下幾個方面加強研究：
1)通過改善金屬機匣的結構形狀提高其包容能力。Carney等的打靶試驗和數值仿真研究表明在機匣被撞擊區域采用徑向曲面可有效提高其抗撞擊吸能能力。但此種改良方法能否采用，需從制造工藝和費用、包容能力等方面加以綜合考慮。
2)纖維增強復合材料風扇包容機匣的低成本制造技術。高成本是長期以來制約纖維增強復合材料結構推廣應用的因素之一。采取低成本制造技術，可以實現纖維增強復合材料的優化應用。纖維絲或纖維束纏繞增強結構制造工藝技術要求高、抗撞擊分層能力差。三維編織結構具有極好的抗撞擊分層能力，但制造成本高。纖維束2-D編織布纏繞層合結構具有制造工藝簡單、成本低、抗撞擊分層能力好的特點，是風扇包容機匣的發展方向。
3)全復合材料風扇包容機匣的纏繞規律。它是最基本和最重要的工藝參數之一。GEnx風扇包容機匣，早期采用單線纖維絲纏繞造成整體結構剛度不足，后采用人字形編織帶疊合纏繞的方式解決此問題。
4)耐高溫復合材料機匣。研制耐高溫樹脂基體和耐氧化高強度纖維，將復合材料機匣由風扇和低壓壓氣機等冷端推廣應用到高壓壓氣機等熱端。
5)葉片包容過程的整機耦合動力學響應分析方法研究。
展開 干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用
LEAP系列發動機風扇葉片采用3D整體編織技術制備了具有三維交織結構且近似零尺寸誤差的纖維預成型體（圖2（b））。通過樹脂傳遞模塑工藝灌注樹脂實現纖維浸潤和樹脂固化（圖3）。其中纖維三維編織結構可有效提高葉片抗沖擊性能。
2020年1月上旬，羅·羅公司在英國布里斯托開始了名為“超級風扇”(UltraFan?)的發動機原型機制造。該發動機采用全樹脂基復合材料風扇葉片和機匣。風扇葉片由碳纖維/韌性樹脂預浸料鋪貼固化而成。葉片前緣采用與GE90風扇葉片相似的鈦合金包邊起抗腐蝕和異物沖擊作用。羅·羅公司預計該型發動機裝機服役后，可實現飛機整體減重700 kg，相比第一代遄達系列發動機更為省油，降低至少25%的二氧化碳排放。
展開 