毛麗賀，耿浩河，尹春暉，焦亞男

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司，江蘇 無錫 214205）

相較于傳統(tǒng)材料，具有高比剛度和高比強(qiáng)度的夾層材料在航空、交通、建筑和風(fēng)電等領(lǐng)域的應(yīng)用非常普遍。選擇合適的上下面板和夾芯材料，可以給夾層結(jié)構(gòu)提供抗沖擊、減震、隔音及隔熱等優(yōu)勢。然而，當(dāng)傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊、剪切或壓縮載荷時(shí)，很容易出現(xiàn)坍塌或分層的現(xiàn)象[1-2]。對于縫合后的泡沫夾層結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)的z軸方向（厚度方向）加入一定數(shù)量的縫線，樹脂將滲透進(jìn)入縫線周圍的間隙中，在通過固化等工藝，最后形成縫合樹脂柱，在一定程度上解決了傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)所存在的坍塌或分層等問題。由于在夾層結(jié)構(gòu)的厚度方向引入了縫線，會明顯地提升傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)的z軸方向（厚度方向）的性能，其平壓性能會得到較大的提升。采用縫合和Z-pin等方法在縱向上對夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，可以較為明顯地改善面板及夾芯之間的連接性能，從而增強(qiáng)其在平壓條件下的力學(xué)性能。因此，縫合技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于改善夾層結(jié)構(gòu)沿著厚度方向上的力學(xué)性能[3-4]。如今，具有高模量和高強(qiáng)度的碳纖維、玻璃纖維和鈦合金等材料已經(jīng)被用作連接上下面板及夾芯材料的縫線。研究表明，對夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行縫合可加強(qiáng)其沿著厚度方向上的力學(xué)性能[5]。

壓縮是夾層結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中常見的力學(xué)行為之一，產(chǎn)生的內(nèi)部損傷會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而越來越多的學(xué)者開始關(guān)注縫合泡沫夾層復(fù)合材料的壓縮性能。馬元春等[6]建立了縫合泡沫夾層復(fù)合材料剛度預(yù)測模型，此模型采用串聯(lián)和并聯(lián)組合的方法預(yù)測其剛度，并分別進(jìn)行了平壓、側(cè)壓等試驗(yàn)，測試了縫合泡沫夾層復(fù)合材料試驗(yàn)件的剛度性能，建立的剛度預(yù)測模型與預(yù)測結(jié)果較吻合。郭書良等[7]使用Kevlar纖維和碳纖維作為縫線制備縫合泡沫夾層復(fù)合材料，明顯增強(qiáng)了夾層結(jié)構(gòu)的平壓性能，并改變了夾層結(jié)構(gòu)的壓縮破壞機(jī)理，且碳纖維作為縫線的增強(qiáng)效果高于Kevlar纖維。仇艷慧等[8]制備了不同縫合參數(shù)下的“X”型縫合泡沫夾層復(fù)合材料，相較于未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，壓縮強(qiáng)度最大提高了26.2倍，壓縮模量最大提高了15.2倍，說明其壓縮性能提升效果較為明顯，且在平壓載荷的作用下，縫合泡沫夾層復(fù)合材料的失效模式主要為纖維柱斷裂和面板穿透。

到目前為止，已經(jīng)有大量的研究論文在研究縫合泡沫夾層復(fù)合材料的力學(xué)性能[9-15]。除了利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，也可使用模擬分析研究復(fù)合材料在壓縮過程中的內(nèi)部損傷行為。但是，利用實(shí)驗(yàn)對縫合夾層復(fù)合材料的平壓性能進(jìn)行測試仍占據(jù)主流地位，模擬分析應(yīng)用不夠廣泛。在本文中，利用ABAQUS模擬軟件進(jìn)行縫合泡沫夾層復(fù)合材料建模，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，同時(shí)對縫合夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維面板、縫線樹脂柱及泡沫夾芯本構(gòu)模型的損傷行為進(jìn)行研究，并預(yù)測了縫合泡沫結(jié)構(gòu)在受到軸向載荷下的壓縮過程，可以得到平壓性能的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為一致，說明該模型具有一定的的可信度和可用性。

1 平壓試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)通過縫合工藝制備預(yù)制件，縫線采用的是雙合股碳纖維，上下纖維面板及中間的泡沫夾芯通過縫線來連接。上下兩部分纖維面板鋪層織物為八枚五飛緞紋碳纖維布，批次號為TN2018-48-4，江蘇天鳥高新技術(shù)有限公司產(chǎn)品；碳纖維布和縫合線均為碳纖維，批次號為MT300C-3K-42B-0，河南永煤碳纖維有限公司產(chǎn)品；泡沫夾芯采用聚氨酯（PUR）閉孔泡沫，常州天晟新材料研究院有限公司產(chǎn)品。碳纖維性能參數(shù)如表1所示，環(huán)氧樹脂TDE-86#固化物性能如表2所示。

表1 碳纖維性能結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Performance and structural parameters of carbon fiber

表2 環(huán)氧樹脂TDE-86#固化物性能Tab.2 Properties of cured epoxy resin TDE-86#

1.2 縫合泡沫夾層復(fù)合材料制備

材料上下兩部分碳纖維面板均采用[0°/90°]5鋪層，鋪層數(shù)量為10層。使用天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所自制的穿刺縫合機(jī)，將干燥的預(yù)制體使用雙合股碳纖維按照針跡密度為15 mm×10 mm，且沿著0°方向?qū)Χ鄬犹祭w維織物和泡沫夾芯進(jìn)行縫制。之后通過真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）成型工藝，采用環(huán)氧樹脂（TDE-86#）在室溫下固化成型。VARTM成型工藝流程主要分為預(yù)處理、樹脂注射、固化和后處理4個(gè)階段。預(yù)處理階段首先對模具進(jìn)行清理，在模具左右兩側(cè)安裝三組注射口與抽出口，分別于樹脂桶和真空泵相連接，依次在模具上鋪設(shè)脫模布、縫合織物，且用密封膠將織物的四周貼好，最后在下模表面貼上密封膠帶，閉合模具后開啟真空泵檢查密封性，當(dāng)真空度達(dá)到-0.1 MPa以下時(shí)，將進(jìn)料口與出料口封住，保持5 min不漏氣?？紤]到織物的厚度較大，真空袋需要預(yù)留出足夠的量，保證真空袋能夠?qū)⒖椢锏乃闹軌簩?shí)?？紤]到樹脂的流動性及縫合織物的厚度，將注射口適當(dāng)?shù)母哂诔槌隹?，可以使樹脂沿著厚度方向均勻滲透。樹脂注射使用邊界注入和邊界輸出的方式，待輸出口有樹脂析出時(shí)，等待1 h以等模具內(nèi)空氣被抽盡待樹脂全部注入完畢，將注射口夾緊，繼續(xù)抽真空4 h；注射完成后關(guān)閉模具左右兩側(cè)閥門，在室溫25℃下固化24 h后，放置烘箱70℃進(jìn)行固化16 h；后處理主要是脫模，去除脫模布。圖1為纖維面板內(nèi)的鋪層情況示意圖。

圖1 纖維面板中的鋪層情況Fig.1 Lamination in fiber panel

1.3 平壓力學(xué)測試

為了提高泡沫夾層復(fù)合材料在z向上的力學(xué)性能，可以在厚度方向上引入縫線來提高整體夾層復(fù)合材料的平壓強(qiáng)度和平壓模量。在室溫條件下，參照ASTM D6641標(biāo)準(zhǔn)[16]，平壓試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖2 平壓試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of flat compression test device

采用萬能強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)（AG-250KNE型，日本島津公司產(chǎn)品）沿縫合方向（0°）進(jìn)行縫合復(fù)合材料的軸向壓縮性能測試，試驗(yàn)速率為1 mm/min。根據(jù)試驗(yàn)儀器得到的結(jié)果，繪制試樣在平壓條件下的載荷-位移曲線。參照ASTM D6641標(biāo)準(zhǔn)[16]，使用切割機(jī)將試樣進(jìn)行切割，切割尺寸要求為60 mm×60 mm。分別選取5組壓縮試樣進(jìn)行平壓測試，得到其平均值。

平壓強(qiáng)度為：

式中：σ為平壓強(qiáng)度（MPa）；p為破壞載荷（N）；F為試樣載荷面積（mm2）；a為試樣邊長（mm）。

平壓模量為：

式中：Ec為平壓模量（MPa）；ΔP為載荷-位移曲線上直線段的載荷增量值（N）；h為試樣厚度（mm）；tf1、tf2為上、下面板厚度（mm）；Δh為ΔP的壓縮位移增量值（mm）。

2 平壓測試數(shù)值模擬

2.1 平壓試驗(yàn)有限元模型

進(jìn)行建模時(shí)，為簡化模型壓縮過程中計(jì)算量，可作如下假設(shè)：①重力對壓縮過程不產(chǎn)生影響；②無論是上下纖維面板各層之間，還是面板與泡沫夾芯之間都會存在一定的粘結(jié)作用，建模過程中可不予考慮；③在平壓載荷的作用下，只考慮整體模型沿著厚度方向產(chǎn)生位移；④考慮到本試驗(yàn)過程中泡沫夾層復(fù)合材料的縫合密度為15 mm×10 mm，且只受到厚度方向上的平壓載荷，可簡化為15 mm×10 mm的有限元模型。簡化后具體模型（去除泡沫）如圖3所示。

圖3 縫合泡沫夾層復(fù)合材料（去除泡沫）有限元模型Fig.3 Finite element model of sutured foam sandwich composite（foam removed）

為了定義縫合泡沫夾層復(fù)合材料模型單元類型，可以將其簡化為以下3部分，如表3所示。

表3 縫合泡沫夾層復(fù)合材料模型單元類型Tab.3 Element types of stitched foam sandwich composites model

為了使纖維面板和泡沫夾芯之間無法發(fā)生相對運(yùn)動，采用Tie約束，而縫合樹脂柱通過Embedded約束嵌入在整體夾層結(jié)構(gòu)中。

2.2 纖維面板壓縮失效準(zhǔn)則

纖維面板壓縮失效準(zhǔn)則的建立可以基于Hasin理論作為其失效損傷依據(jù)，損傷模式為基體的壓縮壓潰，公式為：

式中：Yc為橫向壓縮強(qiáng)度；ST為橫向剪切強(qiáng)度；σ2為面板受到的橫向應(yīng)力；τ12為面板受到的剪切力。

2.3 泡沫夾芯本構(gòu)模型

在ABAQUS軟件中定義泡沫夾芯材料屬性為三維實(shí)體單元?；诶w維面板的壓縮失效準(zhǔn)則，得到復(fù)合材料單層板的性能參數(shù)，如表4所示。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)得到聚氨酯閉孔泡沫的屬性參數(shù)如表5所示[17]。

表4 復(fù)合材料單層板的性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of composite monolayers

表5 泡沫夾芯層的屬性參數(shù)Tab.5 Property parameters of foam sandwich layer

2.4 縫線樹脂柱本構(gòu)模型

圖4為縫線樹脂柱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 縫線樹脂柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of suture resin column

20世紀(jì)70年代，Benssousan和Sanchez-Palencia等為了解決多組分材料中所純在的問題，提出了一種均勻化理論的數(shù)學(xué)方法，可用于分析2種及以上尺度的物質(zhì)系統(tǒng)。均勻化理論同樣也可以運(yùn)用于復(fù)合材料的分析，Toledano等結(jié)合有限元的思想解決了一系列的復(fù)合材料中的線彈性問題。通過研究發(fā)現(xiàn)，分析宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)所得到的結(jié)果是一致的，宏觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況可以取決于微觀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變行為?；诩?xì)觀力學(xué)計(jì)算彈性常數(shù)的方法，縫線樹脂柱彈性常數(shù)的表達(dá)式為：

式中：E為彈性模量；X為拉伸強(qiáng)度；ν為泊松比；ρ為密度；V為體積分?jǐn)?shù)；下標(biāo)S為縫線；下標(biāo)r為樹脂。

縫線樹脂柱由碳纖維（MT300C-3K-42B-0）和環(huán)氧樹脂（TDE-86#）構(gòu)成，其中碳纖維縫線約占比70%?？p線樹脂柱屬性參數(shù)如表6所示。

表6 縫線樹脂柱屬性參數(shù)Tab.6 Attribute parameters of suture resin column

縫線樹脂柱本構(gòu)方程為：

式中：σ11為樹脂柱的拉伸應(yīng)力；E為為樹脂柱的楊氏模量；ε11為為樹脂柱的壓縮應(yīng)力。

縫線的判傷依據(jù)公式為：

式中：σ為樹脂柱所受的應(yīng)力；E為樹脂柱彈性模量；εT為樹脂柱可承受的最大應(yīng)變。

3 結(jié)果與分析

3.1 平壓力學(xué)性能

在平壓載荷作用下，可以得到縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的載荷-位移曲線，如圖5所示。由圖5可見，在載荷-位移曲線屈服之前，由于纖維樹脂柱的存在，曲線整體呈現(xiàn)線彈性變化；之后由于纖維樹脂柱及泡沫夾芯發(fā)生破壞，載荷-位移曲線屈服且迅速下降。

圖5 縫合夾層結(jié)構(gòu)平壓載荷-位移圖Fig.5 Plain compression load-displacement diagram of stitched sandwich structure

通過模擬結(jié)果可知，曲線存在2個(gè)峰值，第1個(gè)峰值是因?yàn)榭p線與面板的連接處出現(xiàn)破壞，而第2個(gè)峰值的出現(xiàn)可能是因?yàn)榕菽瓓A層出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。同時(shí)模擬結(jié)果表現(xiàn)出了剛度逐漸降低的趨勢，縫合夾層結(jié)構(gòu)的平壓力學(xué)性能主要受纖維樹脂柱控制，達(dá)到破壞載荷之前，呈線彈性特征，達(dá)到破壞載荷之后結(jié)構(gòu)剛度迅速下降。通過比較壓縮強(qiáng)度和壓縮模量的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，誤差仍然是存在的。由于預(yù)制件的縫合過程為手工操作，各種縫合參數(shù)都有可能出現(xiàn)一定的偏差，縫合密度可能由于操作的原因存在誤差，縫合紗線并沒有完全的垂直于纖維面板，紗線在穿過纖維面板、泡沫會出現(xiàn)斷裂等，都是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因，但是控制壓縮強(qiáng)度和壓縮模量在15%左右，證實(shí)了使用該有限元模型去預(yù)測縫合夾層結(jié)構(gòu)平壓性能是較為可靠的?？p合夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的的平壓力學(xué)性能如表7所示。

表7 整體縫合夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的平壓力學(xué)性能Tab.7 Flat pressure properties of the composite with integral stitched sandwich structure

3.2 平壓破壞模式

在平壓載荷作用下，未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)承受壓力的主要結(jié)構(gòu)為泡沫，其整體平壓性能近似等于泡沫的平壓性能[18-20]。相比之下，在平壓載荷作用下，在縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)中承受壓力的主要結(jié)構(gòu)為纖維樹脂柱。圖6為壓縮前后纖維樹脂柱的應(yīng)力云圖。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，說明縫合夾層結(jié)構(gòu)所受到的平壓載荷大部分由纖維樹脂柱代替承擔(dān)，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度進(jìn)一步得到提升。

圖6 壓縮前后纖維樹脂柱的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud of fiber resin column before and after compression

由于在平壓過程中，泡沫主要承受由于纖維柱變形屈曲后的面內(nèi)壓力，維持纖維柱的穩(wěn)定，從而提高縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度和平壓模量?？墒褂门菽Y(jié)構(gòu)的位移云圖來表征其平壓過程中的變形情況，圖7為平壓過程中泡沫結(jié)構(gòu)分別在厚度方向和垂直于厚度方向上的位移云圖。

圖7 泡沫結(jié)構(gòu)的位移云圖Fig.7 Displacement cloud diagram of foam structure

纖維樹脂柱與上下纖維面板之間的斷裂失效是縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因，在平壓載荷條件下，縫合夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮破壞如圖8所示。

圖8 整體縫合夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮載荷下的破壞Fig.8 Failure of integral stitched sandwich structure composite under compression load

為了觀察模型面板受到平壓載荷下的受力情況，導(dǎo)出纖維上面板的應(yīng)力云圖。圖9為上纖維面板各層之間的應(yīng)力分布。

圖9 整體縫合夾層結(jié)構(gòu)面板部分的各層應(yīng)力分布圖Fig.9 Stress distribution of each layer in the panel part of the integral sutured sandwich structure

由圖9可見，纖維樹脂柱與上纖維面板連接部位的應(yīng)力值較為集中，且達(dá)到了最大值，證實(shí)了此位置由于纖維樹脂柱的斷裂出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與試驗(yàn)分析結(jié)果中纖維柱與面板連接部位纖維柱斷裂的破壞模式一致。

由圖9還可以看出，鋪層角度為0°纖維層整體的應(yīng)力是沿著0°方向分布，鋪層角度為90°纖維層整體的應(yīng)力是沿著90°方向分布。這是由于碳纖維布沿著鋪層方向力學(xué)性能較好，所以平壓載荷產(chǎn)生的力會沿著鋪層方向傳遞。整體應(yīng)力分布是隨著層數(shù)的增加而逐漸減小的，這是由于壓縮所產(chǎn)生應(yīng)力在層與層之間的傳遞會使應(yīng)力產(chǎn)生損耗。同時(shí)樹脂柱的加入雖然破壞了纖維面板結(jié)構(gòu)本身的連續(xù)性，但其對各層有一定的連接作用，分擔(dān)了單層板所受到的平壓載荷，從而對纖維面板的壓縮破壞起到了抑制的作用。

上述研究表明，在平壓過程中，未縫合泡沫夾層復(fù)合材料主要出現(xiàn)了2種變形作用：①上下纖維面板發(fā)生壓縮破壞；②泡沫的壓潰。引入纖維樹脂柱是為了抑制這2種變形作用，可以在一定程度上加強(qiáng)泡沫夾層復(fù)合材料的平壓性能，通過比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果可知，平壓性能及破壞模式較為吻合，故說明該模型具有一定的的可信度和可用性。

4 結(jié)論

（1）對縫合夾層復(fù)合材料的平壓性能分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬分析，壓縮強(qiáng)度和壓縮模量誤差分別為13.74%和16.09%，但誤差均不超過20%，一定程度上說明有限元模型可以為平壓測試提供較為可靠的依據(jù)。

（2）通過纖維樹脂柱和面板的應(yīng)力云圖，在平壓載荷作用下，縫合泡沫夾層復(fù)合材料主要承力部分是纖維樹脂柱，并且可觀察到纖維樹脂柱與纖維面板連接處出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照，縫合泡沫夾層復(fù)合材料的破壞主要為纖維柱與面板連接處的纖維柱之間的斷裂失效，泡沫壓縮變形過程也較為相符。