三維編織復合材料力學性能研究進展

田龍 張香成

摘 要：復合材料的比強度、比模量高，耐熱性、耐腐蝕性能強等性能，使得復合材料應用越來越廣泛。但由于傳統的復合材料層合板具有分層缺陷，抗剪切等力學性能還存在一些劣勢，進而在之后的研究中提出了三維編織復合材料力學性能的研究。該文將對近些年關于三維編織復合材料的力學性能從理論、實驗、模擬方面進行綜述。

關鍵詞：三維編織復合材料 力學性能 綜述

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0065-02

三維編織復合材料是三維編織技術和現代復合材料技術結合的產物，是對結構和多功能復合材料的需要而發展起來的一種高新紡織技術，編織復合材料在生產工藝中應用越來越廣泛。三維編織復合材料的纖維結構為網狀結構，使得材料形成一體，增加了其強度，不存在二次加工造成的損傷。并且三維編織復合材料具備傳統復合材料比強度、比模量高的特性，還具備不分層和較高的損傷容限的優點。從一般的二維編織到三維編織的研究過程中對如何確定三維編織復合材料的力學性能，以及失效行為對工業設計尤為重要。纖維增強復合材料的編織方法的制備始于20世紀70年代，最初的目的是為了提高其層間屬性。國內外學者對于編織復合材料的力學行為進行了細觀結構力學模型、數值仿真以及工程彈性常數預測等多方面研究。

1 三維編織復合材料細觀力學模型

在細觀結構力學模型研究方面，由于三維編織復合材料的內部結構相當復雜，很少進行全編織分析，一般取其一部分代表性體積單元作為研究對象。V.R等[1]基于疊加原理，對單胞建立解析模型，通過理論分析對模型的3個主方向的彈性模量與泊松比的大小進行了預測，為今后的模擬提供了依據。在實驗研究方面，SR [2]通過模型基礎利用實驗方法預測工程彈性常數。得到纖維傾角較小情況的三維編織復合材料的縱向、橫向的彈性模量以及整體材料的強度。Jialu Li等[3]利用實驗研究割邊對三維編織復合材料編織方向上拉伸、壓縮以及彎曲的力學性能。南京航空航天大學許希武等[4]基于三維五向編織復合材料的細觀結構胞元。采用細觀有限元方法建立了材料宏觀等效彈性性能的力學分析模型。陳光偉等[5]針對三維多向編織復合材料結構件承載細觀結構優化設計的問題，以三維編織復合材料T型梁為對象，對其抗彎性能進行模擬分析。

2 三維編織復合材料模型數值模擬

在數值模擬研究方面，Fang G等[6]除在考慮纖維和基體內部的破壞模式外，還利用內聚力模型引入纖維和基體界面的破壞。通過有限元模擬建立胞元，得到三維四向編織復合材料的細觀力學性能，得出界面強度對材料的非線性以及彈性模量影響較大。Liang Jun等[7]根據三維四向編織復合材料的幾何構型，將紗線界面簡化為八邊形，建立胞元模型。將隨機函數理論引入單元模型，通過數值模擬研究紗線畸變對三維四向編織復合材料的力學性能的影響。YANG等[8]基于經典層合板理論，通過將復合材料胞元考慮成多個傾斜的單向板的組合，建立纖維傾斜模型的方法，利用有限元模擬方法預測三維編織復合材料的彈性性能。宛瓊等人[9]依據三維四向編織復合材料的結構特點，建立了能真實反映其空間構型的“雙紐線”單元體模型，采用有限元方法對三維四向編織復合材料在制備冷卻階段的熱變形行為以及殘余應力和殘余應變的分布狀況。天津工業大學焦亞男等[10]從單元體角度分析了變截面三維編織復合材料織造過程中增加或減少紗線的機制。通過比較分析單元數量減少法和尺寸減縮法對具體實施法案的工藝制備，及其適應性和兩種方法的優缺點的關系，建立了纖維交織的空間結構幾何模型。另外，國防科技大學羅征[11]等人在“雙紐線”、六面體界面交織型、米字型等單胞微觀模型的基礎上建立“貝塞爾”單胞模型。該模型較好地模擬了三維四向編織復合材料纖維走向與微觀結構。

3 三維編織復合材料彈性常數預測

彈性模量以及強度的預測是編織復合材料的研究的重點，D.L[12]基于三維五向編織復合材料的微觀構型。單胞的幾何特性與其在預成型的位置和取向的有關，通過四步法建立了三胞元模型，采用纖維和基體界面的一些強度準則進行失效分析，預測了三維五向編織復合材料的工程彈性常數，分析了界面破壞及相應力學性能的影響。Hui-Yu Sun等人[13]基于單層板的橫觀各向同性性質以及Tsai-Wu強度失效準則。通過建立三維編織復合材料的纖維傾斜模型對其強度進行理論預測。結果表明，三維編織復合材料模型的編織角對彈性模量和強度有很大影響，軸向纖維的拉伸力學性能也隨編織角的變化影響。Xiao等人[14]對二維編織復合材料的細觀力學性能進行預測。將編織復合材料的胞元分成多個子胞元，并利用殼單元通過對每個子胞元單元模型進行簡化，最終得到的強度值與實驗結果差別不大。由于國內相對國外三維編織發展的相對晚一點，但也進行了一系列研究，尤其是在三維編織復合材料的工程彈性系數的預測及材料強度的研究方面，通過實驗、數值模擬進行了系統的研究。李典森[15]通過建立三維四向編織復合材料的單胞模型，利用橋聯模型和剛度平均化方法得到了整體工程彈性常數，證明了橋聯模型對于三維編織分析的價值。并且用強度失效準則，預測了模型的拉伸強度。陳利等[16]采用短標距薄板試件法對三維五向和六向編織復合材料試件進行了壓縮試驗。分析了編織工藝參數編織角，纖維體積含量等變化對這兩類材料的縱向壓縮剛度、強度和泊松比的影響，并且判斷相應材料的失效形式。

4 結語

綜上可知，國內外通過建立大量的理論模型對三維編織復合材料進行模型構造，進行相應的力學性能分析。并且通過有限元等模擬手段對材料的彈性力學性能進行預測，通過一些實驗進行驗證進而指導工程實踐的應用。但對于三維編織缺乏完善的理論公式，都是建立在已經經驗公式和傳統的層合板公式上，并且在一些應用的工藝制造方面缺乏相應的研究，對于如何把理論用于實踐還需要進行更長遠的研究。

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