田龍 張香成

摘 要：復(fù)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(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、實驗、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：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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。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(fù)合材料的力學(xué)性能，以及失效行為對工業(yè)設(shè)計尤為重要。纖維增強復(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(jìn)行了預(yù)測，為今后的模擬提供了依據(jù)。在實驗研究方面，SR [2]通過模型基礎(chǔ)利用實驗方法預(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度。Jialu Li等[3]利用實驗研究割邊對三維編織復(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)計的問題，以三維編織復(fù)合材料T型梁為對象，對其抗彎性能進(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，得出界面強度對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，建立了能真實反映其空間構(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制。通過比較分析單元數(shù)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(yīng)性和兩種方法的優(yōu)缺點的關(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

彈性模量以及強度的預(yù)測是編織復(fù)合材料的研究的重點，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其強度進(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彈性模量和強度有很大影響，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子胞元，并利用殼單元通過對每個子胞元單元模型進(jìn)行簡化，最終得到的強度值與實驗結(jié)果差別不大。由于國內(nèi)相對國外三維編織發(fā)展的相對晚一點，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)測及材料強度的研究方面，通過實驗、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)模型對于三維編織分析的價值。并且用強度失效準(zhǔn)則，預(yù)測了模型的拉伸強度。陳利等[16]采用短標(biāo)距薄板試件法對三維五向和六向編織復(fù)合材料試件進(jìn)行了壓縮試驗。分析了編織工藝參數(shù)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(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材料的彈性力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，通過一些實驗進(jìn)行驗證進(jìn)而指導(dǎo)工程實踐的應(yīng)用。但對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，對于如何把理論用于實踐還需要進(jìn)行更長遠(yuǎn)的研究。

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