田龍 張香成

摘 要：復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量高，耐熱性、耐腐蝕性能強(qiáng)等性能，使得復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛。但由于傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板具有分層缺陷，抗剪切等力學(xué)性能還存在一些劣勢，進(jìn)而在之后的研究中提出了三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。該文將對(duì)近些年關(guān)于三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能從理論、實(shí)驗(yàn)、模擬方面進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：三維編織復(fù)合材料 力學(xué)性能 綜述

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0065-02

三維編織復(fù)合材料是三維編織技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是對(duì)結(jié)構(gòu)和多功能復(fù)合材料的需要而發(fā)展起來的一種高新紡織技術(shù)，編織復(fù)合材料在生產(chǎn)工藝中應(yīng)用越來越廣泛。三維編織復(fù)合材料的纖維結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得材料形成一體，增加了其強(qiáng)度，不存在二次加工造成的損傷。并且三維編織復(fù)合材料具備傳統(tǒng)復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高的特性，還具備不分層和較高的損傷容限的優(yōu)點(diǎn)。從一般的二維編織到三維編織的研究過程中對(duì)如何確定三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，以及失效行為對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)尤為重要。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的編織方法的制備始于20世紀(jì)70年代，最初的目的是為了提高其層間屬性。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于編織復(fù)合材料的力學(xué)行為進(jìn)行了細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、數(shù)值仿真以及工程彈性常數(shù)預(yù)測等多方面研究。

1 三維編織復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模型

在細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究方面，由于三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，很少進(jìn)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(duì)象。V.R等[1]基于疊加原理，對(duì)單胞建立解析模型，通過理論分析對(duì)模型的3個(gè)主方向的彈性模量與泊松比的大小進(jìn)行了預(yù)測，為今后的模擬提供了依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，SR [2]通過模型基礎(chǔ)利用實(shí)驗(yàn)方法預(yù)測工程彈性常數(shù)。得到纖維傾角較小情況的三維編織復(fù)合材料的縱向、橫向的彈性模量以及整體材料的強(qiáng)度。Jialu Li等[3]利用實(shí)驗(yàn)研究割邊對(duì)三維編織復(fù)合材料編織方向上拉伸、壓縮以及彎曲的力學(xué)性能。南京航空航天大學(xué)許希武等[4]基于三維五向編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)胞元。采用細(xì)觀有限元方法建立了材料宏觀等效彈性性能的力學(xué)分析模型。陳光偉等[5]針對(duì)三維多向編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件承載細(xì)觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題，以三維編織復(fù)合材料T型梁為對(duì)象，對(duì)其抗彎性能進(jìn)行模擬分析。

2 三維編織復(fù)合材料模型數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬研究方面，F(xiàn)ang G等[6]除在考慮纖維和基體內(nèi)部的破壞模式外，還利用內(nèi)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(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)性能，得出界面強(qiáng)度對(duì)材料的非線性以及彈性模量影響較大。Liang Jun等[7]根據(jù)三維四向編織復(fù)合材料的幾何構(gòu)型，將紗線界面簡化為八邊形，建立胞元模型。將隨機(jī)函數(shù)理論引入單元模型，通過數(shù)值模擬研究紗線畸變對(duì)三維四向編織復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。YANG等[8]基于經(jīng)典層合板理論，通過將復(fù)合材料胞元考慮成多個(gè)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(yù)測三維編織復(fù)合材料的彈性性能。宛瓊等人[9]依據(jù)三維四向編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了能真實(shí)反映其空間構(gòu)型的“雙紐線”單元體模型，采用有限元方法對(duì)三維四向編織復(fù)合材料在制備冷卻階段的熱變形行為以及殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的分布狀況。天津工業(yè)大學(xué)焦亞男等[10]從單元體角度分析了變截面三維編織復(fù)合材料織造過程中增加或減少紗線的機(jī)制。通過比較分析單元數(shù)量減少法和尺寸減縮法對(duì)具體實(shí)施法案的工藝制備，及其適應(yīng)性和兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)的關(guān)系，建立了纖維交織的空間結(jié)構(gòu)幾何模型。另外，國防科技大學(xué)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(chǔ)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(fù)合材料纖維走向與微觀結(jié)構(gòu)。

3 三維編織復(fù)合材料彈性常數(shù)預(yù)測

彈性模量以及強(qiáng)度的預(yù)測是編織復(fù)合材料的研究的重點(diǎn)，D.L[12]基于三維五向編織復(fù)合材料的微觀構(gòu)型。單胞的幾何特性與其在預(yù)成型的位置和取向的有關(guān)，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(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行失效分析，預(yù)測了三維五向編織復(fù)合材料的工程彈性常數(shù)，分析了界面破壞及相應(yīng)力學(xué)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(zhì)以及Tsai-Wu強(qiáng)度失效準(zhǔn)則。通過建立三維編織復(fù)合材料的纖維傾斜模型對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論預(yù)測。結(jié)果表明，三維編織復(fù)合材料模型的編織角對(duì)彈性模量和強(qiáng)度有很大影響，軸向纖維的拉伸力學(xué)性能也隨編織角的變化影響。Xiao等人[14]對(duì)二維編織復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測。將編織復(fù)合材料的胞元分成多個(gè)子胞元，并利用殼單元通過對(duì)每個(gè)子胞元單元模型進(jìn)行簡化，最終得到的強(qiáng)度值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別不大。由于國內(nèi)相對(duì)國外三維編織發(fā)展的相對(duì)晚一點(diǎn)，但也進(jìn)行了一系列研究，尤其是在三維編織復(fù)合材料的工程彈性系數(shù)的預(yù)測及材料強(qiáng)度的研究方面，通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。李典森[15]通過建立三維四向編織復(fù)合材料的單胞模型，利用橋聯(lián)模型和剛度平均化方法得到了整體工程彈性常數(shù)，證明了橋聯(lián)模型對(duì)于三維編織分析的價(jià)值。并且用強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，預(yù)測了模型的拉伸強(qiáng)度。陳利等[16]采用短標(biāo)距薄板試件法對(duì)三維五向和六向編織復(fù)合材料試件進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。分析了編織工藝參數(shù)編織角，纖維體積含量等變化對(duì)這兩類材料的縱向壓縮剛度、強(qiáng)度和泊松比的影響，并且判斷相應(yīng)材料的失效形式。

4 結(jié)語

綜上可知，國內(nèi)外通過建立大量的理論模型對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行模型構(gòu)造，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能分析。并且通過有限元等模擬手段對(duì)材料的彈性力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，通過一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐的應(yīng)用。但對(duì)于三維編織缺乏完善的理論公式，都是建立在已經(jīng)經(jīng)驗(yàn)公式和傳統(tǒng)的層合板公式上，并且在一些應(yīng)用的工藝制造方面缺乏相應(yīng)的研究，對(duì)于如何把理論用于實(shí)踐還需要進(jìn)行更長遠(yuǎn)的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] Aitharaju V R，Averill R C.Three-dimensional properties of woven-fabric composites[J].Com-posites science and technology，1999，59（12）：1901-1911.

[2] Kalidindi S R，Abusafieh A.Longitudinal and transverse moduli and strengths of low angle 3-D braided composites[J].Journal of composite materials，1996，30（8）：885-905.

[3] J Li，Y Jiao，Y Sun，et al.Experimental investigation of cut-edge effect on mechanical proper ties of three-dimensional braided composites[J].Materials & design，2007，28（9）：2417-2424.

[4] 徐焜，許希武.三維五向編織復(fù)合材料宏細(xì)觀力學(xué)性能分析[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29（3）：1053-1058.

[5] 陳光偉，陳利，李嘉祿，等.三維多向編織復(fù)合材料 T 型梁抗彎應(yīng)力分析[J].紡織學(xué)報(bào)，2009（8）：54-58.

[6] Fang G，Liang J，Wang B，et al.Effect of Interface Properties on Mechanical Behavior of 3D Four-Directional Braided Composites with Large Braid Angle Subjected to Uniaxial Tension[J].Applied Composite Materials， 2011，18（5）：449-465.

[7] Guo-dong F，Jun L，Yu W，et al.The effect of yarn distortion on the mechanical properties of 3D four-directional braided composites[J].Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2009，40（4）：343-350.

[8] Yang J M，Ma C L，Chou T W.Fiber inclination model of three-dimensional textile structural composites[J]. Journal of Composite Materials，1986，20（5）：472-484.

[9] 宛瓊，李付國，梁宏，等.三維四向編織復(fù)合材料基本性能的有限元模擬[J].航空材料學(xué)報(bào)，2005，25（1）：30-35.

[10] 焦亞男，李嘉祿，付景韞.變截面三維編織預(yù)制件的增減紗機(jī)制[J].紡織學(xué)報(bào)，2007，28（1）：44-47.

[11] 羅征，周新貴，于海蛟，等.三維四向復(fù)合材料微觀模型的研究現(xiàn)狀及展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010（3）：117-120.

[12] Wu D L.Three-cell model and 5D braided structural composites[J].Composites Science and Technology，1996， 56（3）：225-233.

[13] Sun H Y，Qiao X.Prediction of the mechanical properties of three-dimensionally braided composites[J].Composites Science and Technology，1997，57（6）：623-629.

[14] Xiao X， Kia H G，Gong X J.Strength prediction of a triaxially braided composite[J].Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2011，42（8）：1000-1006.

[15] 李典森，盧子興，盧文書.三維四向編織復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度的理論預(yù)測[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2008，29（2）：149-156.

[16] 陳利，劉景艷，馬振杰，等.三維多向編織復(fù)合材料壓縮性能的試驗(yàn)研究[J].固體火箭技術(shù)，2006，29（1）：63-66.