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论文范文:柔性经编金属网制备及其力学性能研究

时间:2022-05-21来源:博士论文

金属网材料除了重量轻、强度高、结构稳定,此类材料还具有高反射率、强波长等 优势。以金属丝为原料的纺织品制品使用领域一般较为特殊,其产品既有传统纺织品的 组织特性,又有金属材料的工艺特点。随着柔性经编金属网在航空航天制造业、化工业、 建筑业等领域的需求逐渐增多,对经编金属网结构设计和基本力学性能的研究已经不能 满足当下需求,研究者们亟待解决经编金属网状结构精度问题和力学性能高度稳定性问 题。 本文首先以 0.05 mm 直径的 316L 不锈钢丝为原料,设计金属网组织工艺,利用 WKCAD 软件对经编组织进行工艺设计。通过整经工序和编织工艺主要解决了单根不锈 钢丝张力不匀问题,从而提高金属网结构尺寸稳定性,为今后对相关网状经编织物产品 设计提供帮助。 其次,以该两梳经编金属网为试验载体,研究了柔性金属网状结构织物的单向拉伸 性能、撕裂性能、顶破性能。分别以不同速度和方向为变量因子,梳理速度和方向对经 编金属网力学强度定量相关性,根据两梳经编金属网几何形状,结构支撑和材料联动, 对焦伸长率和强力之间耦合性,基于实际测试情况观察样品破坏形貌特征,输出经编金 属网变形后内部压力的力导向特定区域。其中,经编金属网沿 X 轴、Y 轴和 Z 轴拉伸 性能和撕裂性能的各向异性差异较大,主要是衬纬组织大大限制了经编金属网在 X 轴方 向上的延展性。夹持面积和顶破头尺寸对金属网顶破性能有一定影响,在相同夹持面积 下,柔性经编金属网对尺寸较大的物体更具有抗顶破性,可为相关结构材料构件强度、 刚度和稳定性问题提供借鉴。 然后,研究了两梳经编金属网在双轴应力加载状态下的力学行为,以不同应力加载 角度为变量,分析了不同应力加载条件下试件力学性能与各向异性结构的有效弹性模量 之间的关系和联系。试验数据显示,应力载荷的方向直接影响各向异性材料的力学性能, 经编金属网的力学性能和有效弹性模量表现出不同结果,经编结构金属网在不同应力方 向上的有效弹性模量之间存在一种线性关系。有助于更好地逆向优化各向同性结构的设 计,提高其应用性能,也为更适用领域的发展奠定了基础。 最后,本文利用低速冲击仪采用不同初始能量对两梳经编金属网进行低速冲击试 验,观察低速冲击载荷下经编金属网破坏形态、能量吸收与能量耗散规律。此外,基于 上述线圈二维坐标基础,推导两梳经编结构线圈三维点坐标,建立柔性经编金属网三维 模型,利用 Abaqus 软件对金属网低速冲击试验进行仿真,通过数值模拟验证两梳经编 金属网在不同初始能量下对冲击动态应力加载响应。结果表明:在开始受力阶段,柔性 经编金属网产生自适应变刚度受力,形变做功吸收冲击能量,变形体系影响力是金属网 失效关键因素。采用有限元与实验相结合方法,分析了两梳经编金属网结构破坏模式和 冲击响应,理论与实际基本一致,通过冲击头冲击试验后样品变形程度来评价抗冲击性 能效果,可有效预防产品在实际使用过程中被撞击造成严重损坏的结果。 Ⅰ 摘 要 本课题将为柔性经编金属网实际研究提供一定理论依据,扩展了其在锚喷支架,柔 性可穿戴电子设备,卫星天线,滤水器壁和其他应用领域发展
经编金属网;双轴向拉伸;低速冲击;有限元模拟
论文范文:柔性经编金属网制备及其力学性能研究

Abstract

The metal mesh materials have light weight, high strength and stable structure. The metal

materials also have the advantages of high reflectivity and strong wavelength. The metal

fabrics are used in a special field generally, which have the characteristics of traditional

textiles and metal products. With the increasing demand of flexible warp-knitted metal mesh

in aerospace manufacturing, chemical industry and construction industry, the structural design

and basic mechanical properties of warp-knitted metal mesh fabrics meet the current market.

Researchers need to solve the problem of precision of warp-knitted metal mesh structure and

high stability of mechanical properties.

In this paper, the raw material was 316L stainless steel wire with 0.05mm diameter. The

metal mesh structure process was designed by WKCAD. The uneven tension of single

stainless steel wire was mainly solved by the warping and knitting procedure, so as to improve the dimensional stability of metal mesh structure, which provided help for the design ofrelated warp-knitted mesh fabric.

 Secondly, based on the two-comb warp-knitted metal mesh fabric, the unidirectionaltensile properties, tearing properties, bursting properties of the flexible metal mesh fabricwere explored. Taking different speed and direction as variable factors, the quantitativecorrelation between speed and direction on the mechanical strength of warp-knitted metalmesh was studied. According to the geometric shape, structural and material of thewarp-knitted metal mesh, the relationships between elongation and strength were studied. Thefailure morphology and deformation characteristics of the sample were observed. The resultsshow that the anisotropy of warp-knitted metal mesh along the X-axis, Y-axis and Z-axis wasquite different, because the lining structure greatly limited the ductility of warp knitted metalmesh in the X-axis direction. The clamping area and the size of the bursting head had acertain influence on the bursting performance of the metal mesh. Under the same clampingarea, the flexible warp-knitted metal mesh was more resistant to bursting of larger objects,which could provide reference for the strength, stiffness and stability of related structuralmaterials.

 Then, the mechanical behavior of the warp-knitted metal mesh under biaxial stressloading was explored. Taking different stress loading angles as variables, the relationship between the mechanical properties of specimens and the effective elastic modulus of anisotropic structures under different stress loading conditions were analyzed. The results showed that the direction of stress load directly affected the mechanical properties of the warp-knitted metal mesh. There was a linear relationship between the effective elastic modulus and mechanical properties of the warp-knitted metal mesh in different stress directions. It helped to better reversely optimize the design of isotropic structures and improve application performance, which provided the foundation for the development of more applicable fields.

At last, we used a low-velocity impact instrument to carry out low-velocity impact test

on the metal mesh with different initial energies. We observed the failure mode, energy

III


Abstract

absorption and energy dissipation of the warp-knitted metal mesh under low-velocity impact

load. What’s more, on the basis of the above-mentioned two-dimensional coordinates of the

coils, the three-dimensional coordinates of the two-comb warp-knitted structure coils were

deduced, the model of the flexible warp-knitted metal mesh was established. The low-velocity

impact test of the metal mesh was simulated by Abaqus software. The dynamic response of

the two-comb warp-knitted metal mesh under different initial energies is verified by

numerical simulation. The results showed the flexible warp-knitted metal mesh produced

adaptive variable stiffness stress at the beginning, the deformation work absorbed the impact

energy, the influence of the deformation system was the key factor of the failure for the metal

mesh. The failure mode and impact response of metal mesh were analyzed by combining

finite element method with experiment. The impact resistance was evaluated by the

deformation of the sample after impact test. It can effectively prevent the material from

serious damage caused by impact in actual life.

This study provided a theoretical basis for practical research of flexible warp-knitted

metal mesh. This study expanded its development in shotcrete support, flexible wearable

electronic equipment, satellite antenna, water filter wall and other application fields.

Keywords: Warp-knitted metal mesh; Biaxial tension; Low-velocity impact; Finite

element simulation


目 录

 

 .........................................................................................................................................IAbstract .................................................................................................................................... III ...................................................................................................................................... III第一章 绪论.............................................................................................................................. 1 1.1 引言 ................................................................................................................................. 1 1.2 金属网织物研究现状 ..................................................................................................... 1 1.2.1 金属网织物织造技术研究现状............................................................................... 1 1.2.2 金属网织物力学性能研究现状............................................................................... 3 1.3 课题研究意义、创新点和主要内容 ............................................................................. 5 1.3.1 课题研究意义........................................................................................................... 5 1.3.2 课题研究创新点....................................................................................................... 5 1.3.3 课题研究主要内容................................................................................................... 5第二章 柔性经编金属网制备.................................................................................................. 7 2.1 原料选用 ......................................................................................................................... 7 2.2 组织结构设计 ................................................................................................................. 7 2.3 织造工艺参数计算 ......................................................................................................... 8 2.3.1 编织工艺计算........................................................................................................... 8 2.3.2 整经工艺计算........................................................................................................... 9 2.4 上机织造 ....................................................................................................................... 10 2.4.1 整经工序................................................................................................................. 10 2.4.2 编织工序................................................................................................................. 11 2.4.3 编织成形................................................................................................................. 12 2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 13第三章 金属网基础力学性能研究........................................................................................ 14 3.1 单向拉伸测试与分析 ................................................................................................... 14 3.1.1 拉伸速度对金属网 拉伸性能影响 .................................................................... 15 3.1.2 拉伸速度对金属网 45°拉伸性能影响 .................................................................. 15 3.1.3 拉伸速度对金属网 90°拉伸性能影响 .................................................................. 16 3.1.4 拉伸方向对金属网拉伸性能影响......................................................................... 17

3.2 撕裂测试与分析 ........................................................................................................... 18

3.2.1 撕裂速度对金属网 撕裂性能影响 .................................................................... 18

3.2.2 撕裂速度对金属网 45°撕裂性能影响 .................................................................. 19

3.2.3 撕裂速度对金属网 90°撕裂性能影响 .................................................................. 20

3.2.4 撕裂方向对金属网撕裂性能影响......................................................................... 21

3.3 顶破测试与分析 ........................................................................................................... 21

3.3.1 顶破速度对金属网顶破性能影响......................................................................... 23

3.3.2 顶破头对金属网顶破性能影响............................................................................. 24

3.3.3 夹持面积对金属网顶破性能影响......................................................................... 25

 3.4 本章小结 ....................................................................................................................... 25第四章 金属网双轴向拉伸性能研究.................................................................................... 27

4.1 双轴向测试与分析 ....................................................................................................... 27

4.2 双轴向拉伸下破坏行为分析 ....................................................................................... 28

4.3 双轴向拉伸下力学行为分析 ....................................................................................... 30

4.3.1 线圈几何模型建立................................................................................................. 30


目 录

 4.3.2 金属网在双轴向拉伸下的力学性能分析............................................................. 33 4.4 本章小结 ....................................................................................................................... 35第五章 金属网低速冲击性能测试与有限元分析................................................................ 36 5.1 低速冲击测试与分析 ................................................................................................... 36 5.1.1 冲击能量对金属网低速冲击性能影响................................................................. 37 5.2 柔性金属网在动态载荷下数值分析 ........................................................................... 39 5.2.1 不锈钢丝经编网状材料三维仿真......................................................................... 39 5.2.2 低速冲击过程中有限元计算................................................................................. 41 5.2.3 数值模拟结果与分析............................................................................................. 43 5.3 本章小结 ....................................................................................................................... 47第六章 结论与展望................................................................................................................ 48 6.1 课题结论 ....................................................................................................................... 48 6.2 课题不足与展望 ........................................................................................................... 49 ...................................................................................................................................... 50参考文献.................................................................................................................................. 51 : 作者在攻读硕士学位期间发表的论文................................................................... 54


第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 引言

金属网具有优异的物理和电学性能,常用作柔性透明导电电极材料,能够大幅、有

效地控制微电子应用中的薄层电阻和透射率,因此,在过去十年中,为实现高性能金属

网,已经进行了一定研究[1]。金属网另一种常用应用是旨在提高地震地区非工程房屋建

筑的安全性,最初金属网在建筑领域中的功能仅限于替换钢筋混凝土板,后来用作增强

砂浆力学性能的涂层被广泛使用,当水泥基体受到牵引力和牵引力作用时,金属网防护

作用尤为明显,通过与纤维在复合材料胶凝材料中的使用进行对比,其主要贡献是大幅

度提高了复合材料开裂后的延时性,提高了材料吸能能力[2]。此外金属网也在航天领域

被广泛应用,随着时间推移,传统金属网反射面变得过于庞大,无法以成本效益高的方

式支持这些新任务,而且也造成了在运载火箭体积有限情况下安装问题。因此,太空天

线系统设计者已经开始探索新的研发方案。同时,随着 21 世纪互联网迅速发展,卫星

通信系统逐步开发出新应用程序,已经变得更加复杂,需要更高的通量密度。为小用户

终端提供高数据速率服务的新要求,导致加大了对具有更高增益的大孔径空间天线系统

需求。网状结构织物由于质量轻、强度大且网孔可设计等特点,且随着网状结构织物在

纺织品其它应用领域中所占比例逐渐增加,网状结构织物的性能和应用研究也随之增加

[3]

经编结构织物是由一组或几组经纱在经编机垂直方向上同时编织成圈并相互交织

而成的织物。经编织物具有优异的尺寸稳定性、抗脱散性、结构可设计性等,由于其独

特的编织方法在工业纺织品领域具有无与伦比的优势,它被广泛应用于医疗[4-7],岩土

工程[8,9],运输[10,11],航空航天[12-16]等领域。其中,随着卫星通信技术、空间站和深空探

测的深入发展,经编金属网已经成为当前的研究热点之一。随着人们需求不断增加,利

用超细金属丝编织金属网的技术工艺日趋成熟,也拓宽了其应用领域,如柔性可展开卫

星天线、柔性防护、服装智能柔性传感装置等。因此,对柔性经编金属网性能研究也是

一大发展趋势。

1.2 金属网织物研究现状

1.2.1 金属网织物织造技术研究现状

网状结构织物主要为机织网状织物、针织网状织物和编织网状织物。机织物是一种

片纱集合方式,采用平行于织物边缘处或相对于织物边缘处成一定角度的经纱,和与织

物边缘处垂直的纬纱交织而成。机织物网状织物的经纬线按一定规律相互沉浮,在实际

生产过程中,机织物网状织物的孔径大小一般为经纱直径的 6~7 倍,高密的机织网状织

物孔径可以达到经纱直径的 0.1 倍。与针织网状结构织物不同,机织网状织物密度低,

纱线抗滑移性差,经纱容易沿纬纱左右滑动,纱孔宽度较易变形。因此这种设备织出的

网孔一旦受力极易发生变形,一般用于江河堤坡加固网、纱窗、过滤网等[17]。针织物是

利用织针将纱线弯曲成圈,纵向串套、横向衔接形成的织物,其中经编网眼织物由线圈

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江南大学硕士学位论文

纵向方向串套而成且网孔尺寸可调节,现已经在蚊帐、渔网、运动服装广泛普及,在航

空航天领域也得到广泛应用。编织物是采用纱线缠绕而成的集合体,编织技术主要应用

于编织传统织物以及现代异形编织结构。目前编织已被用作一种自动化的复合材料预成

型件制造技术,大多数编织复合材料采用封闭网状结构来加强结构刚度和强度[18]

金属网的织造技术对编织成网后的材料性能具有极大影响,因此还需选择合适金属

网天线网的织造技术。编织金属网通常采用机织、编织和针织三种织造方式,机织金属

网的织造技术在国内是一项成熟的技术,应用广泛,涉及丝网印刷、颗粒筛选分离过滤

器,常见于建筑领域。

2008 年刘鹤青[19]通过分析平纹组织编织的金属网经向和纬向截面结构定量计算出

机织金属网厚度,并通过机织金属网卷绕直径计算可以提前预估出织网设备规格,极大

提高生产效率。2019 年董万元[20]制备了一种金属丝网垫,首先由直径为 0.2 mm 的金属

丝按照一定规律编织成半径为 15 mm 的圆筒形金属网套,将其一层一层缠绕至轴上堆

叠,填充于模腔,通过冷压成型法固化成空心圆柱体,这类金属网垫属于一种多孔弹性

金属构件,能极大增加金属网材料的压缩力学性能和减小能量耗散,在减振降噪领域应

用提供了一定产品设计依据。

由于机织网状金属网的网格结点处是经纱和纬纱上下交错而成,其金属丝极易滑

移,而反射网的基本要求是星载天线网的网状结构需维持一定稳定性,故在星载卫星天

线的制备中暂未考虑机织织造技术。编织金属网依据绞捻机器织制,由两根相邻金属丝

按照一定距离后相互交叉加捻形成编织金属网,组成这类编织金属网的金属丝直径一般

较大,强度高,起到一定防护作用效果,常用于安全防护领域。

针织物中常见网孔织物的主要结构是经编网眼。经编网眼一般有经缎类菱形网、衬

纬类方格网、经平经缎类柱形网等。近十年来采用金属丝制备经编网状结构织物逐渐应

用于航空航天领域,该网状材料发展方向主要在提高材料编织性能与扩大产业领域 2 个

方面。针织网状结构织物的制备首先需进行编织前准备,如并线、整经,然后再上机织

造,需选择合适的经编机型号、织针、梳栉、起头方式和上机工艺。在火箭发射时天线

网占极小体积空间,但进入卫星轨道在轨运行时需展开为数百倍自身体积空间的立体模

块,故制备大范围大柔度金属材料立体模块是建立传送通信和远距离数据链路的关键核

心技术[21]。2014 年邵光伟等[22]采用两梳经绒平组织,制备镀金钼丝和不锈钢丝空间可

收展卫星天线网并进行性能研究,对减少网状天线反射体结构的拉伸变形、测试地面展

开过程中其网面精度和力学性能、研究空间开展后的网面形态保持等具有重要的意义。

2019 年应芬[23]在机号为 E16 的拉舍尔经编机上将超细不锈钢单丝织制成 5 种不同密度

的金属网,网孔均为六边形,研究了不锈钢丝的弯曲性能和不锈钢丝网的拉伸机械性能,

对不锈钢等高性能纤维的编织工艺及可编织性提供了参考。网状结构织物的力学性能和 稳定性直接决定着制品的使用功能,研究金属网状结构织物的制备及其性能与应用具有现实意义[24-25]

2


第一章 绪论

1.2.2 金属网织物力学性能研究现状

金属网由于所处环境恶劣,除了具备耐高温,耐低温和耐腐蚀性等优异的物理性能,

还需具有一定机械性能与电学性能,例如用作天线网时要求金属网的拉伸断裂强力不小

于 1 kg/cm,断裂伸长率不超过 50 %[26-27]。目前,对金属网状材料的性能研究主要集中

在大型可伸展卫星天线的电学性能方面,例如 Li[28]和 Shao 等人[29]研究了金属网在卫星

天线上的应用,研究了其涂层、结构等因素对其电学性能影响,并采用了推导出条形模

型等效规则网格单元等分析方法。2020 年 Shao 等人[30]研究了金属网作为超级电容器性

能应用。关于金属丝网力学性能研究,Li 等[31]提出了一种分形力学分析方法,用于分析

具有两把梳栉的反射性经编金属丝网。

此外,研究经编金属网状织物的基本力学性能也具有重要意义,如单轴拉伸性能、

撕裂性能和顶破性能。国内对于金属网的力学性能主要通过拉伸试验研究,2016 年李欢

[32]以机器参数与原料为出发点,研究机号、金属丝直径、原料编织根数对四列经锻的

金属网状织物拉伸性能的影响,结果表明金属网状织物与传统纺织经编网状织物的拉伸

性能相似。2014 年绍光伟[33]对金属网状织物进行预置不同方向的中心切口,测试其在

较低速度下的拉伸性能,研究预置切口后金属网状织物的破坏行为。2013 年肖伟发等[34]

研究工艺参数对经编网眼织物拉伸力学性能的影响,主要探讨了牵拉密度和送经量两个

自变量,进而优化网状织物各同向性的性能,可对今后网状织物的开发提供借鉴。

在结果设计中,应用大的安全系数考虑到材料可变性、环境退化和施工期间局部破

[35]。对于无瑕疵网状结构织物有很大容忍性,同时在拉伸应力下不太可能破裂,但因

织物边缘出现缺口扩展引起破坏性失效是常见失效模式,故网状织物抗撕裂性将成为网

状结构织物设计关键问题,网状织物撕裂性能在机织物以及复合材料研究中报道较多。

2009 年罗以喜[36]探索了在不同形状、不同初始开缝长度和不同开缝角度三种变量因子

下经编织物撕裂性能,其中,撕裂强力与开缝长度成反比,且撕裂强力大小与开缝方向

和拉伸方向的相对位置有关。2012 年王萍等[37]采用梯形试验法研究了机织物的撕裂性

能,从纱线滑移现象、撕裂断口失效形状、撕裂强度和撕裂位移几个角度分析了影响撕

裂三角区形态、大小和应力分布因素。2016 年 Wu[38]从实验和理论上研究了具有斯坦纳

树结构纺织品撕裂特性,建立了一个数学模型。理论分析表明,斯坦纳树结构胞中胞体

大小和胞体材料是影响撕裂性能的两个主要因素,这个撕裂强度理论预测对纺织材料几

何结构设计具有一定参考意义。

拉伸测试和撕裂测试都是分析产品材料一个方向上的力学行为,而在实际应用中,

织物所承受的力通常同时在两个方向甚至多个方向上加载,在此前提下对其应力状态进

行多方向研究非常必要。顶破性能是纺织品力学性能的重要评价依据,王萍[37]主要将织

物顶破过程分为三个阶段,同时将纱线断裂为不同时性反映在顶破力-位移曲线中为锯

齿形波动。2013 年邵光伟[39]对 3 种经编金属网进行顶破测试,研究了金属网正反面和

顶破速度对顶破性能影响。2015 年张泰然[40]分析了不同网状结构经编织物顶破性能,

发现六角网孔织物顶破性能优于四角网孔织物,但四角网眼织物在织物破裂后抗脱散性

更好。

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江南大学硕士学位论文

目前对材料双轴或多轴力学性能的研究主要集中在以机织物为增强体和薄膜的复

合材料上,对经编金属网在双向和多向应力加载方向上的力学性能研究极少。Shao[41]

和 Bigaud[42]提出了以机织物为增强材料的复合材料双轴本构关系和新的破坏准则。Chen

等人[43,44]重点研究了典型飞艇壳体材料的撕裂分析,他们进行了单轴和双轴撕裂试验,

并讨论了裂纹参数对撕裂行为影响,发现双轴载荷下的试样在等效裂纹长度下具有较高

的抗撕裂性。李楠[45]、邵慧奇分别[46]采用聚丙烯单丝、金属丝制备了不同网格形状的经

编织物,金属与化纤制成的网状织物力学性能趋势大致相同,在单向拉伸时,经编网状

织物的横向和纵向力学性能差异较大,当密度增加时横向断裂强力也增加;在双向拉伸

时,织物网孔的每条边均匀受力,其纵向横向都趋于各向同性,可为柔性织物选择合适

的网状结构提供方便。

国外美国、日本等对经编网状结构的力学性能研究比我国领先很多,并早已涉及网

状反射面天线领域[47,48],但公开文献较少。Ghorbani[49]以厚度、网孔尺寸、上下层网孔

位置三种不同变量来制备网状间隔织物,研究了结构参数对拉伸行为影响,考虑了间隔

纱在间隔织物拉伸过程中的变量因素,同时用上下层织物初始线弹性模量和网眼间隔织

物初始线弹性模量来评估拉伸特性。结果表明间隔织物拉伸行为与上下层织物的网孔位

置无关,而织物厚度和网孔尺寸对拉伸模量有影响。Hart 等[50]分析了单梳经编织物的拉

伸过程,指出了拉伸过程中经编织物主要是由于线圈向拉伸方向变形影响。Bridgens 等

[51]在两台双轴试验机上对建筑用织物材料进行双轴向拉伸测试,在两台不同机器上很难

实现测试试验精确复制,为织物进行双轴向性能研究提供了指导方针。Poincloux 等[52]

研究了针织物在双轴应力作用下的机械响应。对于低速冲击一般常见于复合材料和板材

测试中,而相对于厚度较薄吸收能量小的金属网状材料,研究者们一般将其制成复合材

料提升力学性能,Lin[53]将不锈钢网状材料与两层针刺聚酰胺无纺织物组合成多层复合

材料,并通过落锤冲击试验和弹道冲击试验测量复合材料的缓冲效果。随着柔性经编网

状结构织物发展,采用经编技术制备的柔性金属网力学性能理论研究非常必要。

同时,随着计算机图形设计技术开展,纺织品计算机辅助设计和纺织品计算机模型

也得到发展。常玉萍[54]通过经编间隔工艺与建模结合,仿真出一种负泊松比效果较好的

立体结构,沿 x 轴方向拉伸时负泊松比值最小可达到-1.0 左右,该种结构可在工程领域

发挥较大应用潜力。Ghorbani[49]利用能量法和卡式定理建立了力学模型,通过实验数据

与理论计算值进行了比较,结果表明所建立模型能够合理地预测模量,但理论模拟与实

际情况还有部分差距,分析模型仍需进一步修正。郭成蹊[55]、KURBAK[56]、杨恩惠[57]

使用 NURBS 曲线和曲面来为经编面料创建模型,闭口编链建模通过改变开口编链现有

模型获得,研究衬纬类方格网状织物结构特征,构建了编链和衬纬相结合的三维几何模

型,可为分析针织物受力变形、吸湿、热传递、电辐射性能等模型仿真提供了研究基础。

2019 年刘倩楠[58]前期采用 TexGen 软件建立单胞,基于 Abaqus 有限元分析机织物拉伸

静态力学加载行为,通过分析织物单胞模型拉伸行为,再与实际实验时织物尺寸大小进

行等比例缩放,结合实际试验验证有限元模拟结果。通过有限元仿真模拟可从宏观角度

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第一章 绪论

上观察织物受力失效过程,能有效依据纤维原料与纱线特性预测织物机械性能,大大节

约人力资源,降低时间成本。

1.3 课题研究意义、创新点和主要内容

1.3.1 课题研究意义

金属材料除了重量轻、强度高、结构稳定,此类材料还具有高反射率、强波长等优

势。柔性经编金属网在星载卫星天线、过滤材料、建筑用领域的需求逐渐增多,对经编

金属网结构设计和基本力学性能已不能满足当前需求,研究者们亟待解决经编金属网状

结构精度问题和力学性能高度稳定性问题。

针织物线圈结构可设计性强,成形性好,与机织物相比具备更好的延展性,且经编

网状结构造型多样,艺术感强,质地轻薄,被大众青睐。其中经编技术相比较其他编织

技术最大优势是生产效率高、网孔结构稳定。但正是由于经编网状织物的特殊结构,导

致经编金属网状织物在受力时线圈变形过程很复杂,无论在实验测试和理论模拟上都具

有很大难度,此外,对于经编网状织物模型和力学性能理论预测远远落后于实践研究,

尤其在经编金属网方面。因此本课题研究主要目的是进一步探索经编金属网的力学性

能。

针对两梳经编金属网状织物制备,探索了经编金属网的力学性能,同时结合有限元

模拟,建立柔性经编金属网数值模型,研究金属网进行低速冲击时动态加载响应,可提

前预测柔性经编金属网受到外力后破坏损伤现象,为后面该类经编网状织物结构设计提

供借鉴。

1.3.2 课题研究创新点

首次用经编技术对不锈钢丝柔性网状材料的织造进行可行性分析,且首次系统地对

柔性经编金属网状材料进行力学性能分析,并采用有限元对不锈钢丝网的低速冲击性能

进行模拟仿真,通过分析经编结构冲击损伤失效过程,进一步预测编织金属网状织物的

力学性能,为经编结构进一步研究提供了更广阔思路,也为经编金属网状材料力学性能

分析和性能改善提供了新的分析视角。有助于逆向优化各同向性结构设计,提高经编网

状结构的应用性能,也为其适用领域发展奠定理论基础。

1.3.3 课题研究主要内容

本文针对经编金属网状织物制备,进行经编金属网基本力学测试、双轴向拉伸测试、

低速冲击测试和低速冲击测试有限元模拟,结合实验研究与相关理论分析、模型建立与

应用,拟达到以下目标:

(1)以 0.05 mm 的不锈钢丝为原料,通过整经筒子架、整经机与盘头和整经张力

部分优化不锈钢丝的整经工序;通过织针、梳栉横移机构、送经系统、牵拉卷取装置和

起头方式优化两梳经编金属网织物的编织工艺,为今后对相关网状经编织物产品的设计

提供帮助。

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江南大学硕士学位论文

(2)以两梳经编金属网织物为研究对象,分析拉伸速度和拉伸方向对单向拉伸性

能的影响;分析撕裂速度和撕裂角度对撕裂性能的影响;分析顶破速度、顶破头尺寸和

试样有效夹持面积对其顶破性能的影响。

(3)以两梳经编金属网织物为研究对象,探索不锈钢丝编织的经编金属网在不同

应力方向下力学性能,分析应力载荷角度对其双轴向拉伸性能和各向异性结构有效弹性

模量之间的关系,这对优化经编结构材料和分析其力学性能具有重要意义,并设计一种

能够改善其各向异性的经编结构以提高其力学性能,为拓展其应用领域奠定基础。

(4)以两梳经编金属网织物为研究对象,通过不同初始冲击能量对其进行低速冲

击试验,观察损伤状态和变形性能,探索金属网对冲击能量吸收与能量耗散规律。此外,

在低速冲击试验基础上,对经编金属网低速冲击进行有限元仿真。通过推导编链与衬纬

组织线圈三维公式,建立经编金属网理论模型,将有限元低速冲击模拟和低速冲击实验

进行对比,观察金属网在低速冲击载荷下能量传递和冲击损伤过程,验证仿真算法的稳

定性和可执行性,为之后针对经编结构的损伤容限测试产品设计提供一定理论和实验基

础。
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