三维编织复合材料的空间互锁网络结构可以有效避免分层破坏,断裂韧性、冲击损伤容限及抗疲劳特性优异,在航空航天、国防军工、医疗保健等领域有着广泛应用。值得注意的是,绝大多数三维编织复合材料在实际应用中并不是等截面结构件,而是截面尺寸沿长度方向改变的变截面异形件。然而,现有的传统编织工艺只能制备等截面结构件,为了获得变截面试件,还需要进一步对等截面结构件进行切削、打磨等后加工,组分纤维性能和预型件结构受到较大破坏,从而显著降低了变截面复合材料的力学性能。本文以四步法方型三维编织工艺为基础,设计出变截面试件的净形制备方法,避免后加工造成的材料损伤和结构缺陷,并对其细观结构与弯曲性能进行了系统研究,在变截面三维编织复合材料的结构设计与弯曲性能方面做了一些探索。主要研究工作包括以下四个部分:1.减纱和添纱净形编织工艺的基本原理、方案设计与操作方法减纱或添纱工艺通过结构循环单元数量的减少或增加实现变截面预型件的净形编织。能够被减掉或被加入的最小结构单元称为减纱或添纱单元,以运动规律重复的最小携纱器阵列为基本单位,包括表面单元和内部单元两种,其中表面单元由一根边纱和相邻的两根主体纱组成,内部单元则由两相邻行和列内的四根主体纱组成。为保证减、添纱后仍然可以进行四步法编织,改变截面宽度时,编织阵列的每一行都要有减纱或添纱单元存在,改变截面厚度时,编织阵列的每一列都要有减纱或添纱单元存在,从而使边纱的排列在减、添纱后仍然规则,四步法运动规律不被破坏。通过设计减纱或添纱单元的排列形式,可以借助不同的工艺方案达到改变截面尺寸的目的。改变截面宽度时,可以使减、添纱单元沿所有行的相同列位置连续排列,即整列减、添纱,也可以使相邻行内的减、添纱单元在不同的列位置分散排列,即行单元减、添纱。改变截面厚度时,既可以使减、添纱单元分布在所有列的相同行位置,也可以使相邻列内的减、添纱单元位于不同的行位置,分别称为整行和列单元减、添纱。减纱工艺的操作步骤为:根据减纱方案将减纱单元内的纱线从自由头端剪断;将所有处在减纱单元外侧的纱线依次向内移动,填充相应的纱线空缺,编织阵列得以缩小;移纱结束后,在较小的阵列内继续进行四步法编织。添纱工艺的操作步骤为:根据添纱单元在初始阵列中的位置,将所有处在添纱单元外侧的纱线以及添纱单元位置上原有的纱线依次向外移动,直至与添纱单元所在位置相对应的携纱器不再悬挂纱线为止;将需要加入的纱线悬挂至添纱单元所在位置的携纱器上,编织阵列得以扩大;在较大的阵列内继续进行四步法编织;整个编织过程结束后,,从预型件上剪去加入的纱线中未参与交织的部分。2.减纱和添纱预型件变截面区域细观结构的试验观察与理论建模试验观察发现,减纱或添纱预型件表面没有明显的纱线断头、孔洞或纱线密集区,截面尺寸变化较均匀,变截面区域呈现平滑的梯形过渡,预型件的细观结构会在减、添纱后四个花节左右的范围内有所改变,其他位置的细观结构则与矩形等截面预型件相同。分别以表面和内部减纱单元、表面和内部添纱单元为研究对象,构造出减、添纱后形成的特殊纱线运动轨迹模型,推导纱线长度和编织角的数学表达式,并与不减、添纱时进行对比。结果表明,减掉表面或内部减纱单元后,分别会形成两组特殊的纱线轨迹,其中一组纱线的长度与编织角大小均比不减纱时增大,另一组纱线的长度和编织角大小不变,只是编织角的方向与不减纱时相反。与不添纱时相比,加入表面添纱单元后会形成两组特殊的纱线轨迹,其长度和编织角大小均有所增大;加入内部添纱单元后,一组纱线的长度与编织角大小增加,而另一组纱线只改变编织角的方向。分别以表面和内部减纱控制体积、表面和内部添纱控制体积为研究对象,建立出表征纱线间交织情况的几何模型,在此基础上,给出减、添纱并编织一个机器循环后形成的交织点在水平面内的投影图,并与不减、添纱时进行比较,探讨纱线交织点数量和位置的变化规律。结果表明,每减掉一个减纱单元,交织点数量相应减少一个,且纱线运动两步后形成的交织点向内移动至不减纱时两相邻交织点的中心,之后的交织规律与常规四步法编织相同。每加入一个添纱单元,交织点数量相应增加一个,且纱线运动两步后形成的交织点向外移动至不添纱时两相邻交织点的中心,而后又恢复为常规交织规律。3.减纱方案对单次减纱变截面复合材料弯曲性能与失效机制的影响鉴于减、添纱工艺的互逆性,以减纱变截面复合材料为代表,对比了整列减纱、两种行单元减纱、切削变截面以及等截面复合材料的弯曲性能与失效机制。研究发现,整列减纱与行单元减纱试件的弯曲性能均显著高于切削试件而略低于等截面试件,行单元减纱试件的弯曲性能比整列减纱试件更为优异,而两种不同行单元减纱试件之间的性能差异不大。纱线编织角增大,树脂富集区、纱线断头等减纱缺陷以及截面尺寸缩减带来的应力集中,是减纱变截面试件比等截面试件弯曲性能偏低的原因;切削对预型件结构完整性的破坏和对纱线性能的影响,导致切削变截面试件的弯曲性能最为薄弱;减纱结构缺陷分布的疏密程度则是整列减纱试件与行单元减纱试件存在性能差异的主要原因。行单元减纱试件的弯曲破坏过程可分为初始损伤、损伤扩展和严重损伤三个阶段,树脂富集区附近的基体微裂纹和弱粘结界面的开裂主要发生在初始损伤阶段,基体裂纹的失稳性扩展和纤维抽拔是损伤扩展阶段的主要破坏机制,严重损伤阶段则以纱线断裂为主。对于整列减纱试件,纱线断裂、界面脱粘和基体开裂等破坏模式会在较低载荷和较早时间下出现,且破坏程度更为严重。在切削试件中可以观察到纤维网络的脱散和翘曲,表层树脂碎裂脱落,大量组分纤维从基体中抽拔出来,纱线断裂的数量也多于减纱试件。4.减纱截面间距对两次减纱变截面复合材料破坏形态与弯曲性能的影响研究减纱截面间距对两次减纱变截面复合材料弯曲破坏形态和力学性能的影响,可以为提高截面尺寸连续缩减的变截面试件的弯曲性能提供一定的试验依据。结果表明,当两减纱截面的间距为1至3个花节时,虽然加载压头位于两减纱截面的中间,但试件会在第二个减纱截面附近发生明显破坏,而压头正下方的部分所受损伤较小;当两减纱截面间隔4或5个花节时,弯曲破坏主要集中在压头下方的两减纱截面中间区域,第二个减纱截面附近没有明显损伤。随着两减纱截面的间距由1个花节逐渐增至4个花节,试件的弯曲强度与模量也呈现逐渐递增的趋势;而当减纱截面间距继续增大为5个花节时,试件的弯曲性能与间隔为4花节的试件基本相同,且与相应单次减纱试件在变截面区域的弯曲性能相接近。因此,为了削弱第二次减纱对两减纱截面中间区域弯曲性能的影响,应使两个减纱截面的间距大于4个花节。