傳統(tǒng)制造復(fù)合材料材料平板，一般采用隨機(jī)排布的短纖維，其弊端是纖維不連續(xù)，生產(chǎn)前需要貯備纖維預(yù)浸料或者2維織物。對于3維殼狀結(jié)構(gòu)，纖維纏繞、壓制成型和織物懸垂工藝都可以使用。3維整體織物是一種具有吸引力的替代材料。3維織物可以制成多種形式，和復(fù)合材料橋梁相關(guān)的形式一般有：（1）Z方向上多層無紡布縫合起來的，（2）平板或更為復(fù)雜的3維結(jié)構(gòu)，（3）包含空隙的多孔層合板。編織技術(shù)也有應(yīng)用。
三維織物復(fù)合材料的優(yōu)勢有：
抵抗分層和增強(qiáng)復(fù)合材料穿過厚度方向的性能
容易進(jìn)行浸膠、模壓和熱粘接等組裝操作
對傳統(tǒng)紡織機(jī)械只需進(jìn)行細(xì)微改進(jìn)
大批量生產(chǎn)時具有經(jīng)濟(jì)性
如果采用
玻璃纖維或者聚酯纖維作為增強(qiáng)材料，與鋼鐵相比具有競爭力。
本文將描述3維織物的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)過程以及制造工藝。實(shí)際應(yīng)用的研究結(jié)果是制造一種小型步行橋，包括3大部件：有板梁，縱梁和面板組成的通道，兩側(cè)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)。橋梁的承載能力由板梁、縱梁和 主梁提供。
簡介
從古至今，木材、石頭、鋼鐵和混凝土等材料被廣泛的應(yīng)用于橋梁建設(shè)。20世紀(jì)，橋梁建設(shè)受到高分子樹脂、玻璃纖維和其他纖維以及他們組合形成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的影響非常有限。復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)被分成幾個方向：一個是便宜的、使用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，具有合適的強(qiáng)度性能，主要生產(chǎn)消費(fèi)品。另一個是應(yīng)用于航空航天和其他有特殊要求的高性能復(fù)合材料，使用昂貴的碳纖維和高模量纖維。而兩者之間的中間地帶，以建筑行業(yè)為代表的，用量巨大但力學(xué)性能要求較低的
復(fù)合材料應(yīng)用被忽略了。隨著克服工業(yè)化中的保守主義，最近Cam Middleton教授在劍橋大學(xué)?？习l(fā)表了一篇名為“Consruction is not on the list of hi - tech efficient industries”的文章，闡述了提供一種滿足性能和成本需求的材料的制造工藝。
使用3維織物可以提供與傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)復(fù)合材料相比的巨大優(yōu)勢。
3維編制技術(shù)的發(fā)展
表1展示了復(fù)合材料常用的制備工藝，均在復(fù)合材料的性能或制造成本上有缺陷。在上世紀(jì)80年代，使用3維編制材料成為創(chuàng)新的方向。具有代表性的企業(yè)有Elsevier’s Composite Materials 集團(tuán)，由R Byron Pipes設(shè)計(jì)改進(jìn)；和Textile Structural Composites 公司，由Chou and Ko 在1989年設(shè)計(jì)，參見文獻(xiàn)“Forming rigid fibre assemblies: the interaction of textile techn ology and composites engineering (Hearle and Du, 1990).”
表1 傳統(tǒng)復(fù)合材料的制造工藝
random fibre placement
纖維隨機(jī)排布 |
dispersed short fibre injection mould 短切纖維注射模塑成型
lay- up of fibre mats 手糊纖維氈
nonwoven performs 無紡織物 |
simple filament laminates
簡單的纖維層合板 |
lay- up of prepreg 預(yù)浸料鋪放
filament winding 纖維纏繞 |
interlaced laminates
面內(nèi)交錯的層合板 |
simple woven fabrics 簡單的編織物
knitted fabrics with laid - in yarns 面內(nèi)有縫編線的針織物 |
3 - D shell structures
3維殼結(jié)構(gòu) |
filament winding 纖維纏繞
press- forming 壓力成型
fabric draping 織物懸垂 |
PROBLEMS: 困難
3D short fibre moulding: orientation / fibre length 3維短切纖維模塑成型：纖維取向/長度
laminates, essentially 2D: manually int ensive lay -up/ weak through thickness 層合板，本質(zhì)上是2維：人工操作鋪放/厚度方向上強(qiáng)度較弱
press- forming & fabric draping: limited deformability 壓制成型和織物懸垂：變形性差 |
早期發(fā)展3維編制物的很多研究者都開發(fā)了特制的設(shè)備，只有很小的部分進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。此后，越來越多的曼徹斯特大學(xué)研究的結(jié)構(gòu)和實(shí)例證明，3維編制技術(shù)可以僅對傳統(tǒng)紡織機(jī)械進(jìn)行細(xì)微改進(jìn)就可以實(shí)現(xiàn)。這其中的優(yōu)勢將在本次大會中發(fā)布（參見TexEng Software Ltd and RWTH Aachen, 2012）
All textile materials have an internal 3D structure of fibres and, in most forms, yarns. By 3D
fabrics, which may be woven, braided, knitted or nonwoven, we mean:
所有的編織物內(nèi)在都有纖維形成3維結(jié)構(gòu)，主要是紗線。通過紡織、編織、針織或者無紡的3維織物，我們可以得到：
擁有3維外形的單層材料
多層空腔材料
多層實(shí)心平板材料
3維實(shí)心多層材料
復(fù)合材料橋梁上主要應(yīng)用了圖1中展示的各種3維紡織材料，當(dāng)然編織的織物也有使用。通過使用這些織物，整合了
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，克服了表1中描述的問題：特別是厚度方向上性能得到改善；產(chǎn)品成本下降，減少了織物制造和復(fù)合材料生產(chǎn)上的人力成本。
圖1 a 斜交互鎖 b 多層編制 c 正交互鎖 d 空腔
The design of 3D weaves is more complicated than for 2D weaves, but a program, Weave
Engineer , based on mathematical principles by Chen et al (1996) is available from TexEng
Software Ltd. It is easy to use in a series of steps. A typical output, which can be used as
input to the control software of a weav ing machine , is shown in Figure 2.
3維編制技術(shù)比2維編制更加復(fù)雜，TexEng Software Ltd 在chen等人（1996年）提出的設(shè)計(jì)原則上推出了一款程序，廣泛應(yīng)用在這個行業(yè)中。圖2 展示的是通過軟件控制的紡織機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入界面。
平板織物可以在寬織布機(jī)上編制，通過使用圖1中的編制物即可。線性元素可以在窄織布機(jī)上紡織，但是編織更加方便。管狀織物可以是圓形或者方形，中間填滿軸向的紗線，見圖3a-d。
圖2中展示的是編制模型的原理圖，面臨著將這些技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的問題，還需要研究材料應(yīng)力-變形的反應(yīng)。和21世紀(jì)相比，傳統(tǒng)的紡織業(yè)仍然青睞實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)而不是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，但是需要建筑行業(yè)工程師和其他行業(yè)工程師之間的相互聯(lián)系。學(xué)術(shù)研究帶動了相關(guān)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的應(yīng)用，但是更多的研究應(yīng)該用于發(fā)展行業(yè)適用的軟件。相同的問題出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代，石油工業(yè)需要設(shè)計(jì)深海鉆井設(shè)備。鋼鐵過于沉重，而FRP材料是良好的解決方案。Joint Industry Projects項(xiàng)目推行了包括CAD技術(shù)的研究發(fā)展，將織造工程和海洋工程師們聯(lián)系起來。類似的解決方案今天同樣適用。
某3維編制復(fù)合材料橋梁的有限元分析
Working with Don Blackburn, TexEng Software Ltd carried out a feasibility study, (Chen and
Hearle, 2010), for a composite footbridge for Blackburn Fraser Ltd (BFL). Figure 4 shows
examples of their products.
與Don Blackburn一起，TexEng Software Ltd開展了為lackburn Fraser Ltd公司建造一種復(fù)合材料人行橋的可行性研究（Chen和Hearle, 2010）。圖4 展示了他們的研究成果。
圖5展示了使用編織
復(fù)合材料生產(chǎn)的小橋支撐構(gòu)件：有直線的縱向梁和扶手，橫向的水平板梁和立桿。其他的構(gòu)件有組成橋面的復(fù)合材料平板和在橋梁兩側(cè)的保護(hù)板。
圖5. (a) 小橋的主要部件. (b) U型組裝.(c) 立柱和橋面的連接.
縱梁和水平橫桿可以由圖3中展示的管狀結(jié)構(gòu)制成。編制是一種工藝路線，編制工藝可以很好的編制軸向制品。
或者，管狀紡織物也可以由兩層織物兩端紡織封口組成。如果制件為方形截面，其邊長為a，寬度為2a。在長度方向上，管狀織物可以做到幾百米長，當(dāng)然需要經(jīng)向編制。板梁和兩側(cè)立桿形成U型結(jié)構(gòu)，可以使用簡單的管狀織物通過切割和彎曲形成。圖5a顯示了切割和彎曲之后的管。橋板是由平板紡織材料制成，為了達(dá)到強(qiáng)度要求，增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)選擇圖2b顯示的3維實(shí)心紡織結(jié)構(gòu)，這樣3個基本方向上均有直線維。兩側(cè)護(hù)板可以有3維平板復(fù)合材料制成。如果有必要，橋板可以平鋪在縱梁上，提供額外的強(qiáng)度。
組裝橋梁時，首先安放縱梁，再將U型結(jié)構(gòu)安放在縱梁上，如圖5c所示。兩者可以通過螺栓連接或者粘接，粘接方式材料的一致性更好。如果有必要，連接處可以使用直角形的多層織物進(jìn)行增強(qiáng)。水平橫桿固定在立桿上。最后橋板放在在板梁上，兩側(cè)的防護(hù)板也完成固定。整橋可以在工廠內(nèi)完成組裝或者在施工地點(diǎn)附近的平地上進(jìn)行。
復(fù)合材料和鋼鐵的技術(shù)/經(jīng)濟(jì)對比
一個全面的技術(shù)設(shè)計(jì)包括提供所有組件的尺寸，橋梁的規(guī)格，還要考慮的要求的強(qiáng)度、剛度、和其他參數(shù)。這些要求通過使用有限元軟件進(jìn)行分析，最后預(yù)估了成本。
表2 結(jié)果展示了1995年Hearle et al進(jìn)行的復(fù)合材料橋板和鋼梁組合效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。本文建議一種連續(xù)批量化生產(chǎn)方案，如圖6所示。纖維從紗架供給到編制機(jī)，可以制作各種形狀產(chǎn)品如梁。然后織物通過加熱爐，固化形成復(fù)合材料。（即纖維編制拉擠技術(shù)）?？紤]到的資金和運(yùn)行成本，制造成本大約6歐元/m。產(chǎn)量需求較大時，成本越受歡迎。計(jì)算時，根據(jù)產(chǎn)能為840000m每年。短期內(nèi)，非常需要采用更經(jīng)濟(jì)的方式；如拆分纖維編制、自動化產(chǎn)品切割工藝等。
在把橋梁從鋼橋替換為GRP復(fù)合材料橋梁的過程中，這些數(shù)據(jù)可以大致預(yù)測橋梁尺寸和成本。為了滿足最大載荷要求，玻璃纖維復(fù)合材料需要更薄，可以減少1/10的重量，一半的材料成本。為了滿足剛度要求，玻璃纖維復(fù)合材料需要更厚，增加接近一半的重量和兩倍以上的成本。使用3維編制材料，如圖7所示蜂窩狀結(jié)構(gòu)，可以減少重量的同時保證足夠的剛度。彎曲和剪切剛度與橋梁性能比較相關(guān)，受截面形狀決定，這需要更加詳細(xì)的分析。使用芳綸纖維可以大幅減重而且滿足剛度要求，但是更貴。碳纖維那就更貴了。
表2 簡單梁的性能和成本對已（資料來自Hearle et al ,1995）
| |
鋼 |
玻纖 |
聚酯 |
芳綸 |
| 極限載荷對比 |
| 面積， m2 |
0.0086 |
0.0021 |
0.0070 |
0.0024 |
| 重量， kg/m |
68.40 |
4.35 |
9.82 |
3.20 |
| 材料成本UK£/m |
13.7 |
4.79 |
9.62 |
52.97 |
| 剛度對比 |
| 面積， m2 |
0.0086 |
0.0132 |
0.0239 |
0.0111 |
| 重量， kg/m |
68.40 |
27.84 |
33.52 |
14.74 |
| 材料成本UK£/m |
13.70 |
30.61 |
33.52 |
244.31 |
圖7 3維蜂窩編織物. (a) 編制設(shè)計(jì). (b)最終結(jié)構(gòu).
結(jié)論
玻璃纖維復(fù)合材料在提高機(jī)械性能和減重方面有著良好的應(yīng)用記錄。較輕的重量降低了安裝的成本，因?yàn)椴恍枰褂弥匦偷倪\(yùn)輸和起吊機(jī)械。其便于運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，可以估計(jì)，在軍事行動或者進(jìn)行更換替代上具有應(yīng)用前景。耐疲勞性能良好。同時具備很好的耐腐蝕性能，可以減少甚至取消電極保護(hù)和涂裝的成本。復(fù)合材料壽命長。有研究表明，
復(fù)合材料橋梁比混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)橋梁對環(huán)境的影響更小。使用3維紡織或者編織織物作為增強(qiáng)材料可以增強(qiáng)復(fù)合材料在厚度方向上的性能，而且經(jīng)濟(jì)成本更好，更便于組裝。
上述橋梁的設(shè)計(jì)過程選擇了一種經(jīng)濟(jì)的制造工藝。采用最簡單的實(shí)心型材結(jié)構(gòu)，雖然不能說吸引人，但是外觀可以改進(jìn)?？梢詫χ破繁砻孢M(jìn)行處理，得到平滑或者有布紋效果的表面。挑選護(hù)欄邊板的尺寸和規(guī)格，并進(jìn)行切割。如果在制造復(fù)合材料時加入填料，可以獲得一體的顏色效果，而且無褪色之憂。這類似家具生產(chǎn)，在表面添加彩紙或者織物，獲得與環(huán)境一致的具有吸引力的外觀。
有的客戶喜歡傳統(tǒng)的橋梁樣式，如圖1 所示，有立柱、水平或者斜的邊欄，這些都可以使用管狀的
復(fù)合材料。這些橋相對比較復(fù)雜，因此需要進(jìn)行研究和發(fā)展出最好的制造路線。橋梁有更多的部件，這意味著如何連接并確保有足夠的強(qiáng)度是一個很重要的問題。
圖 8. 更加方便的建橋思路
包括的部件有 ：
A） 兩根主梁 為了安裝支柱，頂部和底部開孔的箱式梁，可以再其中填滿短切纖維復(fù)合材料或者其他可以保證穩(wěn)定性地材料
B） 支柱 圓柱型或者其他形狀。用于連接主梁和扶手。
C） 橋面板 安裝在主梁上面的平板。寬度上可以橫跨主梁，同時可以開孔方便支柱安裝。
D） 扶手 為了安裝支柱，在扶手上開孔。
木材和鋼鐵的使用往往傾向于直線設(shè)計(jì)。曲線設(shè)計(jì)在某些區(qū)域會非常吃香。BFL公司采用鋼材建造了圖4c中展示 橋型，但是造價昂貴。3維編織產(chǎn)品很容易彎曲到所需形狀，如圖3e，因此，在曲線物品很穩(wěn)定，這也為設(shè)計(jì)者打開了新的大門。
除了玻璃纖維，高性能的
聚酯纖維也是復(fù)合材料的潛在應(yīng)用材料。杜邦公司在1980s年代就展示了其可以達(dá)到很高的性能，但是商業(yè)化進(jìn)程緩慢。表2數(shù)據(jù)可以證明，聚酯纖維的性能可以與玻璃纖維相比。低熔點(diǎn)的共聚物纖維被應(yīng)用為熱塑性粘接劑或者自粘膠。但是，熱固性樹脂不可回收，熱塑性樹脂可以熔化，然后樹脂重新利用。這在建造臨時性橋梁時，可以考慮。聚酯復(fù)合材料還可以使用染色的紗線獲得不同的圖案。
本文通過BFL實(shí)例展示了復(fù)合材料橋梁可以作為木材和鋼結(jié)構(gòu)橋梁的替代品。下一步將是進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)簡單的部件，更小的尺寸，展示最后的性能，經(jīng)過組裝實(shí)現(xiàn)整體良好的性能表現(xiàn)。這些實(shí)踐研究伴隨著更加詳細(xì)的性能分析。
本文這種介紹了BFL制造的一座小橋。但是相同的技術(shù)可以應(yīng)用在大橋上面，比如BFL建造的從高速路下來的車型橋。對于大多數(shù)橋梁來說，質(zhì)量輕不是主要的因素，在軍用橋梁，需要使用直升飛機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸?shù)臉蛄荷?，在需要更換的橋梁領(lǐng)域，本文所述橋梁可以作為臨時橋梁使用。更多，更廣泛的使用3維編制復(fù)合材料的部件將被應(yīng)用于大規(guī)模的公路、鐵路或者其他橋梁上。
致謝：
我們非常感謝Farmers Bridges Ltd公司的Don Blackburn先生在橋梁市場領(lǐng)域給予的建議，感謝NorthWest Development Agency在項(xiàng)目可行性研究中給予的擔(dān)保支持。
參考文獻(xiàn)
Chen X. and Hearle J. W. S. (2010), Report to Blackburn Fraser Ltd, Bridges Made from 3D
Textile Reinforced Composites.
Chen X., Knox R. T., McKenna D. F. and Mather R. R. (1006), J. Textile Inst., 87, Part 1, 356-370. 1996.
Chou T - W. and Ko F. K. (1989), editors. Textile structural composites, Elsevier, Amsterdam,
Netherlands, 1.
Hearle J. W. S. and Du G. W. (1990), J Textile Inst, 81, 360 -383.
Hearle J. W. S., Smith J. T. and Day R. J. (1995), TechTextil Symposium 1995, Lecture No.104.
TexEng Software Ltd and RWTH Aachen (2012), Fourth World Conference on 3D Fabrics andtheir Applications.
Xiaogang Chen/陳曉剛 英國曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)院紡織品與紙張研究組 ，xiaogang.chen@manchester.ac.uk
John W S Hearle 英國曼徹斯特，TexEng軟件有限公司，johnhearle@hearle.eclipse.co.uk
Brian J McCarthy 英國曼徹斯特，TechniTex（織造局）公司，brianmccarthy@technitex.org
編譯：天津南車風(fēng)電葉片工程有限公司
