三維編織復合材料彎曲性能研究進展*

程燦燦 劉兆麟

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

三維編織復合材料彎曲性能研究進展*

程燦燦1，2劉兆麟1，2

(1.東華大學紡織學院，上海，201620;2.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620)

總結三維編織復合材料彎曲性能測試的主要方法，從理論預測與試驗研究兩方面介紹三維編織復合材料彎曲性能的研究成果，比較不同預測方法的優缺點，探討當前工作存在的問題，并對今后的研究趨勢進行了展望。

三維編織復合材料，彎曲性能，測試方法，理論預測，試驗研究

層合復合材料固有的層狀結構使其易出現分層破壞，開裂敏感且裂紋擴展速度快，層間剪切強度、沖擊韌性及損傷容限較低［1］，因此，設計三維整體預型件以克服層合板的缺陷倍受關注。

三維編織復合材料是20世紀80年代為適應航空航天部門對結構和功能材料的需求而研發的一種先進復合材料，與傳統層合板的重大區別在于纖維貫穿長、寬、高三個方向，形成高度整體化的空間互鎖網狀結構，能有效避免分層現象，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，有效保障構件力學性能的穩定性，在航空航天、國防軍工、交通、建筑等領域具有廣闊的應用前景［2-4］。

實際工程應用中，許多復合材料制件常常在彎曲載荷下工作，彎曲性能能夠全面反映復合材料的力學性能，因此通過彎曲試驗測試材料的彎曲性能顯得尤為重要。彎曲試驗中，試件表面應力最大，從而可以較靈敏地反映出表面缺陷情況，用于材料表面質量的檢驗;與拉伸試驗不同，彎曲試驗不受試樣偏斜的影響，從而可以精確測試出復合材料的抗彎強度;原材料選擇、性能比較以及質量控制均可借助于彎曲試驗［5］。因此，對三維編織復合材料彎曲性能測試方法、彎曲性能理論預測及試驗方面的研究具有重要的理論價值和實踐意義。

1 復合材料彎曲性能的測試方法

復合材料彎曲性能的測試方法主要包括三點彎曲測試和四點彎曲測試兩種。三點彎曲試驗［6］，彎矩從支撐點位置的零值線性增加至中央加載點的最大值，而剪力及中性面的層間剪切應力則沿試件長度方向均勻分布。由于三點彎曲加載比較符合實際應用中試件的受力狀態，且操作簡單，因此應用較為廣泛。

GB/T 1499—2005［7］推薦的三點彎曲試驗裝置如圖1所示。試驗采用無約束支持，以恒定加載速率使試樣破壞或達到預定的撓度值，測量施加的載荷及試樣撓度，可確定出彎曲強度、彎曲彈性模量及彎曲應力與應變間的關系。加載上壓頭應位于支座中間，且與支座軸線相平行。測定彎曲彈性模量及載荷—撓度曲線時，試驗速度一般為2 mm/min。測量彎曲強度時，在撓度等于1.5倍試樣厚度下呈現破壞的材料，記錄最大載荷或破壞載荷，在撓度等于1.5倍試樣厚度下未破壞的材料，記錄該撓度下的載荷?？缇嗫砂丛嚇雍穸葥Q算得到:

式中:l——試驗跨距;

h——試樣厚度。

圖1 三點彎曲試驗裝置圖

四點彎曲［6］的試驗裝置如圖2所示，可測試試樣的彎曲強度及彎曲模量。四點加載下，彎矩從支撐點的零值線性地增大至加載點處的最大值，并在兩個加載點之間保持恒定，加載點之間的剪力和層間剪切應力為零，試件中心段只受到純彎矩作用，因此從應力狀態來看，采用四點彎曲試驗測試復合材料的彎曲性能更為可取。

圖2 四點彎曲試驗裝置圖

2 三維編織復合材料彎曲性能的理論預測

1999 年，Chen 等［8］在三單胞模型［9］基礎上，提出預測三維編織復合材料有效彈性性能的多相有限元法，并對三維編織復合材料的力學性能進行了數值仿真。該方法基于變分原理，首先在三個不同的單胞區域劃分局部網格用于分析單胞的應力—應變，獲得各個區域的局部彈性性能，再用相對粗糙的全域網格獲得復合材料的宏觀應力—應變，最后對應力進行體積平均，從而計算出復合材料的等效彈性性能，三維編織復合材料的多相有限元網格劃分如圖3所示。

2001 年，楊萍等［10］采用局部/整體均勻化方法計算了三維編織碳纖維復合材料工字梁的工程常數，并利用MARC有限元軟件預測出彎曲性能。假設三維編織復合材料的彈性性能主要由內部單胞決定，單胞則由沿四種取向相互交織的編織紗線和間隙間的基體材料組成，如圖4所示。首先從內部單胞中取出一無限小單元，在面內等應變、面外等應力基礎上，通過局部均勻化方法得出該無限小單元的應力—應變關系，再對整個單胞作面內等應力、面外等應變假設，由整體均勻化方法獲得整個單胞的等效應力—應變關系，進而求出復合材料的等效工程常數。對工字梁彎曲性能的有限元分析結果表明，最大拉應力出現在試件下緣下表面中部，最大壓應力出現在試件上緣上表面中部，且最大拉應力小于最大壓應力;正應力由梁中間向兩端逐漸遞減，而工字梁立肋位置的剪應力最大;在工字梁上、下緣加入Z向紗線，立肋上編織紗線選取±45°取向角，可達到局部增強的效果。該方法考慮了編織結構和編織紗線的幾何特性，改善了以往研究中需作大量假設，且忽略紗線幾何特性及交織結構等因素的弊端。

圖3 多相有限元網絡劃分

圖4 內部單胞模型

2003年，陳利等［11］基于經典層合板理論和疊層板模型，提出了三維四向編織復合材料彎曲性能的一種預測方法。在疊層板模型中，代表性體積單元的厚度為編織復合材料的整體厚度，寬度為一個編織花節寬度，長度為一個編織花節長度，將體積單元簡化為單向層板的疊合結構，不同層板間的交叉重疊按各層板性能的體積平均進行簡化，同時假設代表性體積單元具有均勻的中面應變和曲率。首先根據單向層板的細觀力學分析方法獲得單層板的三維應力應變關系，再依據層合板理論推導復合材料沿編織方向的彎曲模量。分析中考慮了編織紗線的排列方式以及表面紗線的影響，可以對三維四向編織復合材料的彎曲性能進行較精確的預測。

2004年，王波等［12］根據三維四向編織復合材料的結構特點，提出用剛度合成法預測復合材料的彎曲模量。將試件分為上、下表面層和內部層三部分，其中表面層由表面單胞和內部單胞組成，內部層則全部由內部單胞構成，試件截面如圖5所示。在等應變條件下，通過坐標變換計算出各類單胞的剛度矩陣及彈性性能，再根據單胞的構成情況計算出各層的剛度矩陣與彈性性能，進而預測整個試件的彈性模量。

圖5 試件截面圖

剛度合成法從三維編織復合材料的纖維束結構出發，針對性強，預測結果真實準確。當試件尺寸較大、內部單胞數較多時，可以不考慮表面單胞和內部單胞性能差異的影響，而認為三維編織復合材料的彎曲模量只與內部單胞有關，對工程分析和試件制作具有指導意義。

2008年，李典森等［13］采用改進的剛度平均化方法，推導了三維四向和五向編織復合材料的彎曲模量。試件橫截面分為上、下表面層和內部層三部分，表面層由沿寬度方向的表面單胞和棱角單胞組成，內部層由沿厚度方向的表面單胞和內部單胞構成。首先分別求出三種單胞的剛度矩陣，得到三種單胞的縱向彈性模量，然后根據試件各層的胞體構成情況，并通過體積比分別求解出內部層和表面層的縱向彈性模量，最后即可推導出復合材料的彎曲模量。但本方法對彎曲模量的預測基于材料力學的假設，適用性尚需進一步證明。

2009年，陳光偉等［14］以三維編織復合材料T型梁為研究對象，采用剛度體積平均法計算不同編織角下四、五和六向復合材料的彈性常數，并利用Patran/Nastran有限元軟件模擬出彎曲載荷的分布情況，分析纖維束交織結構、編織角等參數對抗彎性能的影響。結果表明，三維多向編織復合材料的縱向彈性模量和泊松比隨編織角的增大而降低，而其他兩方向的彈性模量均有所增加，其中六向編織結構較相同纖維體積含量的四、五向復合材料更加接近各向同性。彎曲載荷作用下，高應力區位于T型梁肋板的中段、兩端及肋板和腹板連接段的根部，最大位移出現在梁中段區域。編織角相同時，三維六向試件的彎曲應力和變形最小，編織角增加，彎曲變形減小，選用35°編織角的三維六向編織結構有利于提高T型梁的承載安全性。本方法針對性強，模擬效果好，可為異型三維編織復合材料構件細觀結構的選型與參數設計提供參考。

3 三維編織復合材料彎曲性能的試驗研究

Yau等［15］對三維編織復合材料I型梁進行了四點彎曲測試，并與傳統層合板復合材料進行比較，發現在初始失效之前，I型梁的應力與應變呈現線性關系，為解釋三維編織復合材料的彎曲破壞機理和裂紋擴展規律提供了依據。

王波等［16］采用三點彎曲和四點彎曲試驗測試了三維四向編織復合材料的彎曲性能，并與材料的拉伸和壓縮性能進行了比較。結果表明，三維編織復合材料的彎曲模量可以通過四點彎曲試驗獲得，三點彎曲試驗并不適于測試彎曲模量，兩種試驗得到的彎曲強度差異不大;試件的彎曲模量和強度并不等于其拉伸和壓縮模量，彎曲強度也不同于拉伸和壓縮強度;材料內部層的壓縮失效是試件破壞的主要原因。

李嘉祿等［17］采用三點彎曲測試方法研究了碳纖維三維四向、五向編織復合材料的彎曲性能，分析編織角對彎曲性能的影響，并與層合復合材料進行了對比。研究發現，三維編織復合材料具有良好的彎曲力學性能，彎曲強度為829.03 MPa、彎曲模量可達67.5 GPa;編織角和編織結構對彎曲性能有較大影響，隨著編織角的增大，復合材料的彎曲強度和模量均減小;三維五向結構的彎曲強度和模量均高于四向結構;在纖維體積含量相近的情況下，通過對編織角的設計，可以設計三維編織復合材料的性能。

張?。?8］利用聲發射技術分析比較了L形和矩形截面三維編織復合材料的彎曲性能，并評價了交接區域細觀結構對彎曲性能的影響。L形截面復合材料的彎曲損傷過程可分為初始損傷、損傷過渡、嚴重損傷和整體失效四個階段，表現為涵蓋了基體破壞、界面開裂、纖維斷裂等各種方式的復合型破壞，其中以基體和界面破壞為主導，而纖維斷裂數量很少。由于交接區域的特殊細觀結構，L形試件會在較低載荷下于交接區域發生界面脫黏和基體開裂，彎曲破壞極限載荷比矩形復合材料偏低，由于交接區域中大部分紗線的編織角小于矩形截面的紗線編織角，因此初始模量略高。

李典森等［19］針對不同編織角、不同纖維體積含量、不同編織結構的三維編織T300/環氧復合材料進行了三點彎曲試驗，獲得其主要的彎曲力學性能，并分析了不同工藝參數對彎曲性能的影響。對試件斷口進行宏觀及掃描電鏡觀察，從宏、細觀角度研究了材料的變形及其破壞機理。結果表明，三維編織T300/環氧復合材料具有良好的彎曲力學性能，彎曲載荷－撓度曲線呈現明顯的線性特征;彎曲強度和模量隨編織角的增大而減小，隨纖維體積含量的減小而降低;三維五向編織復合材料的彎曲力學性能比三維四向編織復合材料顯著提高，但脆性也明顯增加;三維編織復合材料的彎曲破壞機理與拉伸、壓縮破壞機理不同，且隨編織工藝參數的不同也有區別。

4 研究現狀與展望

目前，三維編織復合材料彎曲性能研究中存在的不足以及有待進一步深入的研究方向有:

(1)三維編織復合材料彎曲性能的測試方法尚無統一標準，大多參考層合復合材料的測試標準，而層合復合材料的試驗方法是否適用于三維編織復合材料則很少被細致研究。

(2)現有的力學模型大多忽略了紗線屈曲，紗線截面變形以及纖維束交叉處的相互作用等因素，多數模型的通用性與完整性較差［20］。

(3)三維編織復合材料彎曲性能理論模型的建立除了結合準確的試驗測試和分析結果之外，還需強有力的數值模擬手段。近年來的研究趨于應用均勻化理論，采用多尺度分析方法求解非線性問題，而目前的多尺度數值模擬方法與工程應用有一定距離，需要繼續深入研究［20］。

(4)有關三維編織復合材料彎曲性能的試驗研究仍然不是很充分，還需進行大量的試驗來研究其變形和破壞規律，為深入描述三維編織復合材料的彎曲行為，分析失效機理奠定基礎［21］。

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Progress in research on flexural properties of 3D braided composites

Cheng Cancan1，2，Liu Zhaolin1，2
(1.College of Textiles，Donghua University;2.Key Lab of Textile Science＆ Technology Ministry of Education)

A general review of test methods，theoretical analysis and experimental researches on the flexural properties of 3D braided composites was given in this paper.Advantages and disadvantages of various theoretical researches were compared.Main problems in the present study were discussed and further development trends were prospected.

3D braided composite，flexural property，test method，theoretical analysis，experimental research

TB332

A

1004－7093(2012)04－0001－05

*東華大學博士學位論文創新資助(BC201015)

2011－03－21

程燦燦，女，1987年生，在讀碩士研究生。研究方向為三維編織復合材料的結構與性能。