三維編織預成型體的織造及三維編織復合材料細觀結構研究進展

韓振宇，梅海洋，付云忠，富宏亞

(哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

復合材料的應用使得航空航天結構輕質化的目標得以實現，其用量已經成為航空航天結構先進性的標志之一。為克服傳統復合材料層間性能差的缺點，人們發展了三維紡織復合材料。相對于三維機織、三維針織等紡織技術，三維編織技術由于具有復雜構件一次成型、截面可連續變化、紗線取向可設計等優點而備受關注。三維編織復合材料首先利用三維編織技術將增強纖維編織成三維整體織物(預成型體)，再和基體進行復合，從而制成復合材料制件。三維編織預成型體可以增強樹脂、碳、陶瓷、金屬等多種基體，根據基體的不同其復合方法也不盡相同，例如復合樹脂基體的RTM(樹脂傳遞模塑工藝)及復合碳和陶瓷基體的CVI(化學氣相滲透工藝)。

三維編織復合材料中增強纖維具有空間交織的整體結構，因此除了具有傳統復合材料高比強、高比模的優點外，還具有更好的抗沖擊特性、更高的損傷容限和能量吸收率。經過多年發展，三維編織復合材料構件已經成功應用到航空航天、汽車船舶等領域，并開始出現生物組織方面的探索，但三維編織復合材料的應用依然發展緩慢。除加工效率低、價格昂貴以外，理論研究的滯后也是重要的原因之一。

相對于其他纖維增強復合材料，三維編織復合材料優異性能的獲得完全依賴于其獨特的纖維交織結構，正確認識其細觀結構是進行力學性能研究的基礎，而對纖維空間結構的優化離不開編織方法及設備。本文從三維編織預成型體織造技術及三維編織復合材料細觀結構兩個方面進行綜述，回顧了其發展歷程，分析了當前研究的熱點問題及方法，并對后續研究方向進行了展望，希望通過本文的工作為相關研究人員全面了解該領域的研究現狀提供一定的參考。

1 三維編織預成型體織造技術

1.1 三維編織預成型體織造方法及設備

為克服二維編織復合材料無法在厚度方向上增強的缺點，三維編織的概念被提出。從20世紀60年代末開始，出現了多種三維編織方法及設備。

1982年，美國通用電氣的Florentine[1]發表了其專利“Magnaweave”，建立了一臺21×21的縱橫編織機，完善了四步法三維編織。四步法的編織過程如圖1所示，在一個編織周期內，編織紗線沿著正交的兩個方向依次進行往復運動，一個完整的編織周期中攜紗器需要完成4個動作，因此被稱為四步法。改變編織機底盤結構及攜紗器的配置，使攜紗器做徑向與周向運動，即可實現用于管狀構件編織的四步法圓形編織。傳統的四步法編織為1×1模式，即每步均移動一個攜紗器的位置，通過改變正交方向運動的步長可得到1×2等不同編織方式。此外，還可以在對應方向上加入軸向紗線形成三維多向織物。由于具有以上變化能力，且織造的織物整體性較好，四步法得到了廣泛的應用。

1987年，美國杜邦公司的McConnell等[2]提出了二步法編織，通過運動的編織紗將保持不動的軸向紗線捆綁在一起，相對于其他方法，其織造的織物軸向紗線含量高，但編織結構的變化能力有限。

圖1 四步法編織過程Fig.1 Scheme of 3D four-step braiding process

1990年，Albany公司提出了多層連鎖編織方法[3]，其紗線不再穿過所有“層”，而是層與層之間互鎖，選用不同特性的紗線構成不同層可以制作多功能一體的制件。此外，目前常用的編織方法還有由二維編織發展而來的旋轉法三維編織，這些編織方法的出現顯著地豐富了織物的結構種類。

從編織機的運動形式上來說，三維編織技術可以分為縱橫編織與旋轉編織兩類。縱橫編織機(行列式編織機)一般采用氣缸等元件推動攜紗器在導軌中作行與列的運動，其攜紗器排布密集，可載紗數量多，但運動速率較低且不連續，因此其效率較低。1994年，美國Atlantic Research公司研制了可掛14000根紗線的大型圓形三維編織機[4]。1996年，天津工業大學復合材料研究所研制了由計算機控制的方形三維編織機，該設備可以容納40000根紗線，包括20000根編織紗和20000根軸向紗，是目前國內最大的三維編織設備[4]。

旋轉式編織機(角輪式編織機)依靠角輪的旋轉驅動攜紗器在底盤上運動，運動較為流暢，編織效率高，但缺點在于可載紗數量較少。多家公司及研究機構都研制了旋轉式編織機，例如德國Herzog公司[5]，美國3Tex公司[6-7]，北京柏瑞鼎公司[8]，日本京都工藝纖維大學[9]。其中Herzog公司與3Tex公司采用獨立控制的轉換開關控制攜紗器在交換點處的運動，使得攜紗器運動的自由程度大大增加，在理論上可以到達底盤的任意位置。在引入飾帶編織技術[10]后，旋轉式編織機的攜紗器儲量得以成倍提升，3Tex公司開發了相應的編織機并用于商業應用，該公司見于報道的編織機最大可容納576根編織紗和144根軸向紗，遠低于縱橫編織機攜紗器數量。最近，德國亞琛工業大學和英屬哥倫比亞大學[11]聯合開發了六角形編織機，可以編織直徑小于20μm和16旦的纖維，致力于開發醫用復合材料，如圖2所示。在角輪數目一定的情況下，六角形編織機攜紗器數目更多，運動自由程度更大，目前開發的第二代原型機[12]比第一代攜紗器數目增加了一倍。

圖2 六角形編織機[11](a)第一代原型機；(b)第二代原型機Fig.2 Hexagonal 3D-rotary braider[11](a)first generation prototype;(b)second generation prototype

每臺編織機的最大攜紗器數目是確定的，而織物尺寸受設備尺寸的制約且相差很大，這限制了三維編織的應用。為此，多家公司及研究機構開發了組合式編織機，通過對標準化模塊的組合來滿足不同的編織需求，在一定程度上降低了設備成本。

1.2 三維編織預成型體織造理論及過程研究

三維編織復合材料中纖維束的交織結構主要取決于編織方法，為了開發出性能更加優異的編織材料，部分研究人員將目光投放到復合材料的優化設計和新編織工藝的開發之上。Tada等[9]介紹了多種矩形及其組合橫截面預制件的編織工藝，并提出了紗線陣列的優化設計公式。劉兆麟等[13-14]對變截面三維編織預制件的減紗技術進行研究，通過實驗對比不同減紗方式對復合材料力學性能的影響。馬文鎖等[15-16]采用對稱群理論將編織紗線等效為不同的點符號，并推導出新的編織幾何結構形式，為設計新的編織方法提供了參考。近期，馬文鎖等[17]介紹了一種基于傳統正交機織的新型三維編織材料，其纖維體積分數高于傳統的三維正交機織復合材料，且更容易實現自動化。Grishanov等[18-19]將紐結理論應用于織物的描述與分類，以期建立織物結構的數學模型，目前其對具有空間交織結構織物的表征能力仍然有待提高。對新型編織方法的探索即是對新的編織結構的探索，然而當前并沒有一個明確的優化目標以及行之有效的理論模型表征編織結構，因此對于該方面的研究依然緩慢。

采用芯模輔助織造可以獲得多種形狀與尺寸的織物，對于提高三維編織織造能力有重要意義，已在實踐中得到廣泛應用。近期，Guyader等[20]對采用芯模輔助織造的多層連鎖編織過程進行了研究，建立了加工參數與芯模結構之間的關系，另有多位學者在建立的二維編織芯模輔助織造的分析模型中考慮了紗線與芯模、紗線之間的相互作用[21-23]。由機械手臂牽引的芯模能夠沿著任意方向運動，這使得編織具有復雜曲面的預成型體成為可能，系統地對三維編織芯模輔助織造進行理論研究勢在必行。此外，在編織過程中張力對紗線的質量和織物的織造有著不可忽視的影響，有些學者開始將研究方向轉向對織物質量進行控制。Branscomb等[24]研究了紗線張力對編織成型點運動的影響，通過采集因紗線張力變化導致故障發生時編織點的運動圖案，為編織過程自動控制提供參考。Ma等[25]建立了攜紗器張力的數學模型，對編織過程中紗線張力的變化過程進行了研究。為更好地對紗線張力進行控制，Fabich等[26]提出了主動攜紗器的概念。主動攜紗器造價高昂，而三維編織所需攜紗器數量眾多，因此通過攜紗器結構將紗線張力控制在一定范圍內，并通過采集編織點的運動圖像來檢測故障是未來一段時間內實現編織質量自動控制的解決方案。

目前三維編織方法及設備的織造能力有限，在編織大尺寸及微小尺寸構件方面存在著局限性，對于復雜曲面構件的編織也是一個難點。此外，對于結構復雜構件的編織仍然需要大量人工輔助，難以實現自動化，這些都限制了三維編織復合材料在工程實際中的應用，值得我們深入研究。

2 三維編織復合材料細觀結構

復合材料具有可設計性，其細觀結構及組分材料決定了材料的性能。三維編織復合材料內部結構十分復雜，學者們對其進行了大量的研究，這些研究主要集中在四步法編織復合材料，以下均為針對四步法編織復合材料的研究。

2.1 簡化模型

20世紀90年代以前，學者們對其細觀結構進行了大幅的簡化。Ko[27]提出了“纖維構造”的術語，首次定義了矩形截面預制件中表示纖維構造的單胞模型。以此為基礎， Ma等[28]根據復合材料內紗線的相互作用建立了“米”字型單胞模型， Yang等[29]基于層合板理論提出了“纖維傾斜模型”，如圖3所示。這些模型為理論計算提供了一定的依據，但不能反映材料內部的真實結構。

圖3 三維編織復合材料細觀結構模型(a)“米”字型單胞[28]；(b)纖維傾斜模型[29]Fig.3 Microstructural models of 3D braided composites(a)fiber interlock model[28]；(b)fiber inclination model[29]

2.2 拓撲模型

20世紀90年代以后，研究人員對其進行了更為深入的研究，逐步建立起符合其細觀結構特征的單胞模型，并據此建立了工藝參數與結構參數之間的關系。Li等[30]根據沿與預制件表面成45°的方向將預制件切開獲得的圖像，建立了表征預制件中紗線空間分布的幾何模型。隨后， Du等[31-32]建立了矩形截面預制件的單胞模型，并在復合材料纖維體積分數的計算中考慮了纖維填充因子和打緊系數的影響。吳德隆等[33-34]首次提出了由可重復的基元、面元和柱元組成的三細胞模型。Wang等[35-36]提出了用控制體積的方法來建立預制件中纖維束的拓撲結構，將方形預制件分為內部、表面、角部三個區域，并識別了三個區域的單胞。

此外，Kalidindi等[37]對“米”字型單胞模型進行了修正，用曲線來模擬紗線的軌跡，避免了紗線在單胞中心的彼此交叉，提出了螺旋纖維模型。Tang[38]在其研究中以標準化節距為織物結構關鍵參數，將編織角和纖維體積分數看作其函數，為設計三維編織復合材料提供了一定的依據。

上述研究工作給出了三維編織預成型體結構的“骨架”，后續的研究工作大都采用控制體積法來建立單胞模型，并對復合材料內部纖維束的空間分布和截面形狀進行了探索，以提高模型精度。韓其睿等[39]在實驗的基礎上，將纖維束截面假設為橢圓形。龐寶君等[40-41]深入討論了單胞內纖維束在空間的分布規律，從幾何上建立了材料單胞的結構模型。李嘉祿等[42-43]采用計算機圖像分析技術對三維編織復合材料中纖維束走向及橫截面進行了研究，認為復合材料內部纖維束呈直線狀態，并獲得了復合材料內部、邊部和角部纖維束橫截面的不同形狀。成玲等[44]采用數學形態學對三維編織復合材料的斷層剖面圖像進行處理，提取了清晰的編織紗線輪廓。Chen等[45-46]根據實驗結果(如圖4所示)，在橢圓形截面紗線的基礎上建立了較為準確的紗線擠壓條件，進一步完善了三單胞模型。李金超等[47-48]根據CCD顯微鏡攝像儀獲取的三維五向編織復合材料的截面圖像，分析了紗線的排列規律及其截面形狀的變化。

與此同時，有些學者對單胞的劃分進行了更為詳盡的研究。Byun等[49]建立了占據復合材料整個截面的單胞模型，以期獲得更準確的結構參數。陳利等[50]采用最小二乘法擬合三維編織過程中攜紗器的運動趨勢線，在此基礎上建立了取向平行于預制件表面的單胞模型，Zheng等[51]在研究中采取了同樣的劃分方法，圖5為目前存在的兩種主要的劃分方法，汪星明等[52]在其論文中對此做了詳細的描述。

圖4 三維四向編織復合材料內部幾何結構SEM圖[45](a)與表面成45°方向的切口圖；(b)剝離出的纖維束Fig.4 SEM images of the geometry of 3D four-step braided composites[45](a)interior of four-step braided preforms; (b)a braid yarn in the preform interior

圖5 單胞劃分方法[52]Fig.5 Schematic illustration of interior surface and corner of a preform[52]

2.3 實體模型

隨著CAD技術的發展，學者們開始著手建立能夠反映復合材料內部結構的實體模型。Pandey等[53]首次通過CAD模型來描述三維編織復合材料的代表性單元體，王毅強等[54]、邵將等[55]、何紅闖等[56]通過分析編織紗線的運動規律，采用不同三維建模軟件建立了三維編織預制件實體模型，張美忠等[57]則借助VC++及SolidWorks建立了能模擬各種編織參數預制體孔隙的實體結構及相應的軟件系統。三維編織復合材料具有“皮芯”結構，其表面及角部區域具有不可忽視的作用[58]，Zhang等[59]對其進行了詳盡的研究，圖6為其建立的3種單胞的實體模型。

圖6 三單胞實體模型[59](a)內部單胞；(b)表面單胞；(c)角單胞Fig.6 Structural models of three different unit-cells[59](a)interior unit-cell;(b)surface unit-cell;(c)corner unit-cell

Sun等[60]、Robitaille等[61]進一步發展了基于CAD的復合材料建模方法，為有限元計算建立輸入模型提供了手段。為建立合理有效的有限元模型，提高精度和減小計算量，學者們根據纖維束的空間交織關系和接觸特征，給出了不同的纖維束橫截面形狀假設。盧子興等[62-63]將三維編織復合材料內部纖維束截面假設為六邊形，并定義了纖維束之間的兩種接觸形式。徐焜等[64]將其假設為八邊形，并考慮了內部和表面區域紗線因擠緊狀態的不同所造成的紗線填充因子變化，其定義的纖維束截面及接觸方式如圖7所示。田金梅等[65]則采用矩形來進行模擬。徐焜等[66-67]在三維五向編織復合材料的研究中將編織紗截面等效為六邊形，軸向紗截面簡化為正方形。以上模型均認為纖維束在材料內部保持直線狀態，且忽略了纖維束因受到擠壓造成的彎曲、扭曲及截面變化。

圖7 紗線截面假設及接觸方式[64]Fig.7 Cross-section of braid yarn and contact manners among braid yarns[64]

為建立更為精確的分析模型，人們開始著手對纖維束的真實狀況進行表征。方國東等[68-69]采用八邊形模擬內部單胞纖維束截面，并將該截面的表面部分分為六個區域，通過隨機函數理論表征其扭曲特性，如圖8所示。姜黎黎等[70]在其建立的螺旋型單胞幾何模型中用空間拋物線來模擬纖維束路徑。徐焜等[71]通過平均扭曲角來表征紗線的扭曲變形。Zhang等[72]根據觀測結果，將三維五向編織復合材料中纖維束截面假設為特定形狀并以樣條曲線擬合紗線的空間軌跡。由于纖維束各部位的擠壓狀況存在差異，朱元林等[73]在模型中考慮了纖維束之間的相互擠壓變形方式和纖維束橫截面沿軸向的變化規律，王榮橋等[74]提出了一種考慮打緊工藝導致纖維束截面形狀沿其軌跡方向連續變化的單胞模型。由近年研究成果可知，三維編織復合材料中纖維束的彎曲、扭曲及截面變化對其力學性能有著不可忽視的影響，建立預制件內部真實的孔隙結構對于其復合固化過程的研究也有著重要意義。三維編織復合材料細觀結構模型的發展經歷了由抽象到具體的過程，當前的研究方向在于合理的表征復合材料中纖維束的真實空間結構，獲得更為準確的分析模型。上述模型基于實驗觀測結果，在一定程度上考慮了纖維束的變形，但僅僅對一類纖維束的變形進行了表征，且采用的是一種近似手段，而沒有探索其變形機理。

圖8 包含扭曲特征的紗線模型[69]Fig.8 Geometrical characteristics of braid yarn and FE model of braid yarn[69]

目前出現了一些對纖維束的變形機理進行探索的建模方法。Wang等[75-77]提出多鏈路數字單元法來建立織物的幾何模型，該方法將纖維束看成多條數字單元鏈條的集合，鏈條則由通過銷連接的數字桿組成，鏈條之間及纖維束之間通過接觸單元連接。由于數字桿單元的長度趨近0，因此該鏈條具有很高的柔度，能夠很好地模擬纖維束受力后產生的變形，圖9為其得到的三維編織物中紗線截面[77]。該建模方法將纖維束中纖維之間的相互作用因素考慮到模型中去，建立的三維機織織物十分接近真實結構[78-79]。此外，該方法不僅可以用于預測織物的力學行為[80-82]，還在預測復合材料力學行為方面存在一定的潛能[83]。然而，采用這種方法建立復合材料分析模型前需要對織物模型進行大量的人工處理工作，未來的研究重點在于改進該建模方法使其能夠高效地建立復合材料分析模型以及將模型應用范圍擴展到復合固化等工藝過程的模擬。另外有些學者[84-85]基于最小勢能原理研究機織織物中紗線截面形狀變化及路徑，其研究成果集成到軟件WiseTex[86]中。該軟件能很好地對二維及三維機織織物建模，并將幾何模型、力學模型及滲透率分析模型結合在一起，極大地提高了對復合材料進行性能分析的效率。該方法將纖維束假設為一定形狀，再通過變形能計算其結構參數，但由于三維編織織物中纖維束受到擠壓的方向更加多樣，該方法目前尚未涉及三維編織領域。在逼近纖維束真實狀況的過程中，也需要注意過分追求幾何上的相似會給有限元模擬帶來不必要的麻煩。

圖9 用多鏈路數字單元法仿真得到的紗線截面[77]Fig.9 Micro-geometries of 3D braided fabric cross-section[77]

2.4 管狀構件細觀結構

管狀三維編織預制件的細觀結構比方形預制件更加復雜，紗線之間的接觸難以從理論方面分析。Wang等[87]根據三維編織預制件拓撲結構的相似性，采用映射的方法對圓形截面預制件中纖維束的空間分布進行了分析。陳利等[88]采用控制體積法識別了平行于預制件表面的單胞結構。Sun[89]采用多鏈路數字單元法對其進行了仿真。馬文鎖等[90-91]提出一種性能可以變化的六面體微單元幾何模型(如圖10所示)來描述三維編織復合材料及其構件的幾何特性，對三維編織火箭噴管的纖維體積分數進行了預測。近期，王一博等[92]基于自由變形理論，推導了矩形單胞到管狀單胞的幾何映射關系，建立起較為準確的管狀編織復合材料單胞結構。當前所研究管狀構件均為直管，彎管及三通管等更加復雜的管狀構件其內部不同部位纖維束的接觸及變形情況也大不相同，目前還鮮見針對這些管狀構件細觀結構的分析方法。

3 結束語

近年來在三維編織預成型體織造方面的研究成果較少，缺乏系統的理論來描述當前編織方法及開發新方法，而對其編織能力及編織過程的研究也明顯滯后于工程實踐。當前在三維編織復合材料細觀結構的研究方面在于表征復合材料中纖維束的真實狀況，學者們多采用近似手段去模擬纖維束變形的某一方面，盡管已出現對預成型體變形機理進行探索的方法，但建立其與工藝過程之間的關系還需要進行大量的研究工作。三維編織復合材料已經廣泛地應用于航空航天、汽車船舶等眾多領域，但理論研究的滯后限制了其進一步發展及應用，有以下幾個方面值得深入研究：

(1)編織理論的研究。受編織方法的限制，目前能夠實現的織物結構有限。為充分利用復合材料的可設計性，值得從纖維結構設計的角度出發對編織基礎理論進行研究，從而優化當前編織方法及開發新的編織方法，以獲得更優異的織物結構。

(2)工藝過程的研究。三維編織預成型體的織造及后續復合固化過程都將影響其最終結構，從而影響材料的性能。在當前對三維編織復合材料的理論研究中忽略了工藝過程的影響，根據理想化的最終制件去建立理論分析模型。為提高模型的準確性，應將工藝過程的影響考慮進模型中，并實現參數化。

(3)檢測技術的研究。近年來，檢測技術(如X射線、超聲波等)在各種復合材料制件中得到了大量的應用，為了解其真實結構(包括缺陷)做出了重要的貢獻。當前對于三維編織復合材料的檢測較少，對纖維束變形情況了解有限。為支撐細觀模型的進一步發展，定量地獲得其真實準確的內部結構信息十分必要。

(4)CAD/CAM/CAE一體化的研究。當前三維編織CAD與CAM的結合已經相對成熟，而對構件進行分析則需要實體建模軟件、網格劃分軟件和有限元軟件等多個軟件的配合使用，耗費大量的人力。將這些功能集成到一起，通過加工過程仿真自動獲得復合材料結構，并自動建立分析模型、進行網格劃分和分析計算，這將大大提高三維編織復合材料設計的效率。