三維角聯鎖機織復合材料的沖擊破壞有限元模擬分析

馬 倩，王 可，金利民

(1. 鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005；2. 中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201204；3. 東華大學 紡織學院，上海 201620；4. 武漢紡織大學 湖北省紡織新材料及其應用重點實驗室，湖北 武漢 430200)

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三維角聯鎖機織復合材料的沖擊破壞有限元模擬分析

馬 倩1，王 可1，金利民2，3，4

(1. 鹽城工業職業技術學院 紡織服裝學院，江蘇 鹽城 224005；2. 中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201204；3. 東華大學 紡織學院，上海 201620；4. 武漢紡織大學 湖北省紡織新材料及其應用重點實驗室，湖北 武漢 430200)

為研究層層接結三維角聯鎖機織復合材料的抗高速沖擊性能，以指導抗沖擊材料的結構設計，通過有限元分析的方法，計算此材料在具有不同入射速度彈體沖擊下的動態響應。通過對比各種沖擊條件下彈體的速度與時間曲線、加速度與時間曲線、材料漸進破壞擴展及最終破壞形態等的結果發現：沖擊過程中，彈體的速度變化可被劃分成2個階段；彈體的加速度波動情況可直接反映復合材料靶體吸收彈體動能的動態規律；此外，經紗發生波浪狀屈曲的區域是該類材料的重要結構部位，應在設計抗沖擊型三維角聯鎖機織復合材料時進行局部強化與結構優化。

三維角聯鎖；復合材料；高速沖擊；有限元分析

目前，具有質量輕、強度高、力學性能突出等一系列優點的三維紡織結構復合材料已得到日益廣泛的研究與應用[1-3]。其中，三維角聯鎖機織復合材料也因其較為顯著的力學性能優勢，得到了越來越多的關注。

在三維角聯鎖機織結構中，通過經紗與緯紗這2個紗線系統的相互纏繞和交織，形成了穩定而堅固的織物結構。根據經、緯交織層數的不同種類，又可進一步地細化為層層接結、貫穿接結2種角聯鎖機織結構，分別被賦予了各自的性能與優勢[4-5]，且可在工程實際應用中根據需要來研究經緯紗的排列規律，設計不同的三維角聯鎖組織結構，以適應特定的工程應用條件，體現了該種織物的結構多樣化與多功能性[6-8]。在這種情況下，以三維角聯鎖機織物作為復合材料的增強相，同時以高性能樹脂作為復合材料的基體相制作而成的復合材料則自然具有了很好的力學性能，在各種力學工況中都顯示出較為突出的優勢[9-11]。鑒于三維角聯鎖機織復合材料的抗分層能力，其也被廣泛地應用于抗沖擊領域，通過考察這類材料在高速沖擊載荷條件下的破壞與吸能行為，進而優化設計可應用于抗高速沖擊領域的復合材料結構[12-14]。盡管如此，現有文獻中對三維角聯鎖機織復合材料在高速沖擊條件下破壞機制的闡述仍不夠完善與深入。

本文運用有限元分析的方法，在“紗線-樹脂”尺度的細觀結構模型上計算一種層層接結三維角聯鎖機織復合材料在具有不同初始速度(500、600、800 m/s)彈體的沖擊下的破壞行為。對比分析以上3種不同沖擊速度情況下彈速的變化歷程、彈體加速度的變化歷程、材料漸進破壞擴展過程以及材料最終的破壞形態等指標，闡述此類結構材料的抗高速沖擊力學行為，以期為抗沖擊三維角聯鎖機織復合材料的結構優化與設計提供指導。

1 材料與模型

1.1 材 料

本文研究的復合材料由層層接結三維角聯鎖機織物增強體與不飽和聚酯樹脂基體所構成。選用的三維角聯鎖機織物由南京玻璃纖維研究院提供，基體是由亞什蘭復合材料聚合物集團生產的一種熱固性樹脂，即聚酯樹酯AROPOLTMINF 80501-50。增強體、基體以及彈體的材料規格見表1。

表1 增強體、基體與彈體的材料規格Tab.1 Specifications of reinforcement, matrix and projectile

圖1為復合材料的結構示意圖。作為復合材料增強相的三維角聯鎖機織結構由經紗和緯紗構成。緯紗平行排列，經紗則沿著材料的厚度方向襯入，形成對材料整體的束縛作用，從而保證結構的穩定性。再經由樹脂基體的固化作用，形成堅固的復合材料結構。

圖1 層層接結三維角聯鎖機織復合材料的細觀模型圖Fig.1 Micro-structural model of layer-to-layer 3-D angle-interlock woven composite

1.2 有限元模型

通過ABAQUS有限元分析軟件，Windows XP 32位版本操作系統，建立三維角聯鎖機織復合材料與球形彈體沖擊系統的有限元模型，如圖2所示。模型中，3種沖擊條件下的彈體初始速度分別為500、600、800 m/s，復合材料的左、右兩端面被完全固定(見圖2(a))。系統的網格化結果如圖2(b)所示，網格的劃分原則主要是考慮其對有限元計算結果精確性的影響。根據模型大小合理確定網格格距，特別是在形狀不太規則的復合材料樹脂基體的短邊、尖銳的邊角等處劃分較多較細的網格，以此保證網格的合理精細度以及計算的精度。

模型中的各部件性能參數設置中，織物增強體、樹脂基體以及彈體的參數列于表1。由于本文研究所關注的主要分析對象為復合材料靶體，故將彈體設為在沖擊過程前后無任何變形的剛體。

圖2 三維角聯鎖機織復合材料沖擊系統的有限元模型Fig.2 Finite element model for impact system of 3-D angle-interlock woven composite. (a) Impact system; (b) Mesh scheme

2 結果與討論

2.1 速度與時間關系曲線

圖3 彈體速度與時間關系曲線Fig.3 Velocity vs. time curves. (a) Different impact velocity; (b) Part of curve at 500 m/s impact velocity

圖3示出各種不同沖擊情況下的彈速與時間關系曲線。從圖中可看出，彈體在沖擊過程中，其速度的變化可劃分為2個階段。

第1階段：彈速急降階段。彈體與復合材料表面發生接觸的瞬間至彈體貫穿材料(初始彈速較大時，800 m/s與600 m/s)，或未能擊穿，彈體速度降為0而被靶體捕獲(初始彈速較小時，即500 m/s)，當彈體與復合材料表面發生侵徹作用后，材料即進入破壞階段。此刻，沖擊應力波沿樹脂以及經、緯2個系統紗線的延伸方向上以一定的應力波速在材料內部迅速擴展，從而將高速沖擊載荷迅速傳遞到復合材料靶體的整體結構。應力波速根據下式計算[15]。

式中：c為應力波在介質中的傳播速度；E為高應變率下介質的彈性模量；ρ為介質的密度。

當彈體逐步侵徹至織物增強體后，由于在彈體前進的路徑上分布著一定數量的紗線增強體，使得彈體所受阻力也急劇加大。當各紗線達到最大斷裂強度后即發生斷裂失效，進而吸收大量的彈體動能。以上因素導致彈速急劇下降。

第2階段：彈速平穩階段。此階段中，對于初始彈速足夠大(800、600 m/s)的情況，由于彈體的初始動能較大，令其可擊穿復合材料靶體并且以一定的剩余速度(800、600 m/s初始彈速時，剩余速度分別為163.2、1.8 m/s)射出。因彈體不再受其他任何外在作用力，故其速度保持平穩。當彈體的速度不夠大(500 m/s)時發現，彈體的速度下降為0后，即因彈體的初始動能較小而未能擊穿復合材料靶體，反而被靶體所捕獲。此時，由于復合材料靶體具有一定的彈性回復效應，故而反彈彈體使之在復合材料靶體內部發生持續一段時間的小幅度振動(見圖3(b))。

2.2 加速度與時間關系曲線

彈體的加速度變化規律可直觀反映侵徹過程中其承受復合材料靶體反作用力的變化情況。圖4示出各沖擊情況下彈體的加速度與時間關系曲線。

圖4 彈體加速度與時間關系曲線Fig.4 Acceleration-time curves

從圖4中可看出，對應于不同的初始彈速，加速度曲線皆出現了類似的屈曲波動現象。出現如此波動現象的原因是：一方面，由于高速沖擊情況下，三維角聯鎖機織復合材料靶板耗散、吸收沖擊能量的主要表現是樹脂基體與纖維增強體的開裂及斷裂失效。當二者因高能沖擊作用達到各自的失效閾值而破壞時，即對彈體造成較大的阻力，從而在加速度曲線圖上出現了對應的峰值。實際情況中，在彈體侵徹復合材料的過程中，連續不斷地發生彈體與樹脂基體、彈體與纖維增強體的相互作用，樹脂基體與纖維增強體皆發生了連續的破壞與斷裂失效，從而使得加速度曲線圖上出現一連串的峰值；另一方面，相比于樹脂基體，紗線增強體的力學性能明顯更好，可吸收更多的沖擊能量，因而是復合材料的主要承力組分，故當彈體侵徹紗線部分時會承受較大的阻力，當紗線達到最大失效強力而發生斷裂時，此時彈體所受的阻力最大，其加速度也隨之出現更為明顯的峰值。

圖5 材料漸進破壞形態Fig.5 Progressive damage morphologies of composite subjected to impact loading

圖6 復合材料沖擊破壞形態Fig.6 Damage morphology of composite undergoing impact loading. (a) Surface; (b) Cross-section

此外在圖4中還可發現，彈體初始速度越大，其加速度峰值也越大。這是由于彈體速度越高，其在單位時間內侵徹的基體或增強體的量也越大，得到的反作用力也就越強烈，故加速度峰值也越大。

2.3 破壞形態

為說明三維角聯鎖機織復合材料在高速沖擊下的結構破壞機制，以有利于抗沖擊復合材料的結構優化設計，有必要考察復合材料靶體的漸進破壞擴展的情況。圖5示出復合材料在不同沖擊情況下，不同沖擊時刻點的破壞形態。

從圖5可看出，對于三維角聯鎖機織復合材料，樹脂與纖維的開裂、纖維的抽拔與斷裂為其主要的破壞模式。此外，彈體沖擊軌跡上的材料破壞特別劇烈，應力波主要是沿著紗線的延伸方向，尤其是沿著經紗的長度方向傳播，且以較高的速度向材料結構的其他區域擴散，從而有利于復合材料的整體承力，如圖6所示。

此現象與文獻[16]所描述的具有相似經緯紗交織結構的三維角聯鎖機織復合材料的彈道沖擊破壞模式一致。

為探究材料在高速沖擊下的關鍵結構區域，以便于抗沖擊材料的結構優化設計，圖7示出三維角聯鎖機織復合材料在不同彈速下的最終破壞形態。從圖中可清楚觀察到非直接受彈體沖擊區域的裂紋(圖中箭頭指示處)。這些區域都位于靠近經紗上發生波浪狀屈曲部位的基體上。由此可推斷，由于應力波主要是沿著經紗的長度方向進一步擴展，此外還鑒于此結構類型材料的應力集中效應，最易發生開裂破壞的區域即位于上述各部位，故在設計抗沖擊三維角聯鎖機織復合材料時，應特別注重此類效應，可采用局部加強或結構優化的方法來強化材料的力學性能。

圖7 最終破壞形態Fig.7 Ultimate damage morphology of composite

3 結 論

1)三維角聯鎖機織復合材料在高速沖擊過程中，彈體速度的變化主要經歷2個階段，即彈速急降階段與彈速平穩階段，由沖擊過程中樹脂與增強體的破壞規律所決定。

2)彈體加速度的波動規律是彈體承受靶體反作用力的直接體現，因此可直接反映靶體的吸能與破壞規律。

3)對于三維角聯鎖機織復合材料，樹脂與纖維的開裂、纖維抽拔與斷裂為其主要的破壞模式。此外，應力波主要是沿著經紗的長度方向傳播，以較高的速度向材料結構的其他區域擴散，從而有利于復合材料的整體承力。

4)經紗發生波浪狀屈曲的區域是三維角聯鎖機織復合材料的重要結構部位。在設計抗沖擊三維角聯鎖機織復合材料時，應特別注重這點，可采用局部加強或結構優化的方法強化材料的性能。

FZXB

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Modeling analysis on impact damage of 3-D angle-interlock woven composite based on finite element

MA Qian1, WANG Ke1, JIN Limin2，3,4

(1.CollegeofTextileandClothing,YanchengVocationalInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China; 2.ShanghaiInstituteofAppliedPhysic,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201204,China; 3.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 4.HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTextileMaterials&Application,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430200,China)

In order to study high-velocity impact resistance of a 3-D angle-interlock woven composite (3DAWC) and guide the structural design of impact resistance materials, the dynamic mechanical responses of such composite subjected to the ballistic impact at serious striking velocities (500 m/s, 600 m/s and 800 m/s) were calculated by finite element analysis. By comparatively analyzing the velocity-time curves and acceleration-time curves of the projectiles with different striking velocities, as well as the progressive damage evolution and ultimate damage morphologies of composite targets, it is found that the velocity degradation process of the project can be divided into 2 stages. The fluctuation in acceleration can directly indicate the dynamic absorption law of 3DAWC target on kinetic energy of projectile. In addition, the bent regions in warp yarns are key structural parts for 3DAWC. Such local regions, therefore, should be strengthened and performed structural optimization for the design of impact-resistance type of 3DAWC.

three-dimensional angle interlock; composite; high-velocity impact; finite element analysis

10.13475/j.fzxb.20160805206

2016-08-24

2017-01-25

江蘇省高校優秀中青年教師境外研修計劃項目(蘇教師(2014)24號)；江蘇高校品牌專業建設工程一期項目(PPZY2015C254)；江蘇高校優秀科技創新團隊計劃資助項目(蘇教科(2015)4號)；生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)開放課題(KLET1505)；湖北省紡織新材料及其應用重點實驗室(武漢紡織大學)開放課題(Fzxcl2017001)

馬倩(1987—)，女，講師，碩士。主要研究方向為紡織復合材料。金利民，通信作者，E-mail: lmjin@sinap.ac.cn。

TS 101.2

A