馮古雨 錢 坤 曹海建，2 王新月 盧雪峰

(1 江南大學紡織服裝學院，生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫 214122)(2 南通大學紡織服裝學院，南通 226019)

中空復合材料壓縮性能及有限元分析

馮古雨1錢 坤1曹海建1，2王新月1盧雪峰1

(1 江南大學紡織服裝學院，生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫 214122)(2 南通大學紡織服裝學院，南通 226019)

文 摘 對“X”形的中空復合材料的壓縮性能進行測試，并根據(jù)其結構參數(shù)建立模型，使用ANSYS Workbench軟件對建立出的模型進行靜力學數(shù)值模擬分析，擬合出其壓縮力學性能曲線，對比數(shù)值模擬結果與實驗數(shù)據(jù)。結果表明：該復合材料壓縮時芯材主要承受壓縮載荷作用，更容易發(fā)生破壞，5 mm壓縮變形時，最大壓縮應力為475.25 MPa，最大壓縮應變?yōu)?.9785%；建立出的復合材料結構模型壓縮性能模擬結果與實驗測試結果基本吻合，誤差比例僅為(8.73±2.92)%，證明該模型具有一定的準確性。

三維中空，復合材料，壓縮性能，有限元分析

0 引言

三維中空復合材料是一種使用高性能工程纖維(如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等)以特殊的織造工藝在經過改造的三維織機上制備出不同結構的復合材料預制體，以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等樹脂基材料作為樹脂基體與預制體復合制成復合材料[1-5]。三維中空復合材料具有高強、高模、輕質等特性，特別適合作為部分低強度的泡沫材料的骨架結構使用[6-7]。目前該復合材料已經廣泛應用于鐵路、公路、船舶、航天航空等領域[8-9]。

在實際應用中發(fā)現(xiàn)，該復合材料主要受到壓縮及低速沖擊載荷的作用，因此更多的專家、學者開始著眼于三維中空復合材料壓縮及低速沖擊力學性能的研究[10-13]。通過傳統(tǒng)實驗、測試的方式只能得到復合材料力學性能結果，無法對復合材料的破壞機理及更細觀的破壞模式進行分析，隨著計算機技術的發(fā)展，ANSYS有限元軟件將模型劃分為網格后通過分析其應力應變分布情況可以得到復合材料更加細觀的力學性能參數(shù)[14-15]。

本文在制備出一種三維中空復合材料的基礎上，按照其相應比例建立出復合材料結構模型，并借助ANSYS有限元軟件分析其在5 mm內的壓縮載荷作用下應力應變分布情況，分析其破壞機理。將模擬結果與測試結果對比，驗證模型的準確性，并分析誤差原因，本文為建立出更科學的三維中空復合材料結構模型奠定了基礎。

1 結構設計與模型建立

1.1 復合材料結構設計

該復合材料結構見圖1，其中小圖為芯柱結構示意圖。復合材料中經緯紗均為200 tex玻璃纖維，織物一個結構循環(huán)由16根緯紗、8根經紗構成。其中織物上下面板處由4根經紗組成平紋結構，另4根經紗作為襯經形成復合材料的芯柱結構。

圖1 三維中空復合材料結構圖

復合材料樹脂基體由無錫樹脂廠提供的鳳凰牌E-51型環(huán)氧樹脂，和聚醚胺WHR-H023固化劑以質量比為3∶1的比例均勻混合后制成。稱取與纖維增強體質量相同的樹脂基體，并通過手糊成型的方式制備三維中空復合材料。

1.2 建立數(shù)字模型

在建立模型時，作出如下假設[16]：

(1)復合材料中經緯紗在張力作用下相互間發(fā)生擠壓作用，形成跑道型界面，如圖2所示。

(2)復合材料中緯紗保持直線狀態(tài)，經紗屈曲包纏在緯紗周圍，貫穿緯紗的上下表面。在與緯紗接觸的位置呈現(xiàn)出與緯紗跑道型截面相同的軌跡，緯紗之間呈直線狀態(tài)，復合材料發(fā)生拉伸變形時，經緯紗界面不發(fā)生變化。

(3)復合材料在復合時樹脂與纖維的浸潤良好，界面性能良好，且復合材料中沒有氣泡等容易產生應力集中點的缺陷存在。

圖2 經緯紗橫截面示意圖

使用ANSYS Workbench建立復合材料數(shù)字結構及壓縮模具結構模型，其結構參數(shù)見圖3。

圖3 復合材料數(shù)字結構模型

1.3 設置材料參數(shù)

根據(jù)之前的研究及經驗[17]，在ANSYS Engineering Data中設置復合材料性能參數(shù)，如表1所示。

表1 復合材料彈性常數(shù)

2 測試及模擬計算

2.1 壓縮力學性能測試

按照建立出的復合材料結構模型尺寸制備出相應尺寸的復合材料壓縮試樣，尺寸為80 mm×65 mm×10 mm。使用Instron 3385H型萬能材料試驗機對復合材料的壓縮性能進行測試，獲得其壓縮應力-應變曲線，測試速度為5 mm/min，測試位移為1 mm。

2.2 劃分網格及邊界條件

在ANSYS軟件中網格劃分形式可以分為自動網格劃分、掃掠網格劃分、使用四面體網格劃分、使用六面體網格劃分。其中六面體網格劃分是以六面體網格為主體進行劃分，在無法以六面體網格劃分的區(qū)域使用楔形、金字塔單元或四面體網格填充。在同樣的求解精度下，六面體網格以最少的網格及節(jié)點數(shù)量獲得準確度相同的結果，在數(shù)值計算中，網格量對計算機計算時間的影響很大，所以本文使用尺寸為1 mm的六面體網格對復合材料單胞結構模型進行掃略，復合材料由61 988個節(jié)點和29 260個元件組成。

設定其邊界條件，下壓縮夾具設定為Fixed Support 完全固定約束，上壓頭設定為Displacement強迫位移約束，其x,y方向設為0 mm，z方向分別設置為-0.5、-1、-1.5、-5 mm。

3 結果與分析

3.1 復合材料壓縮性能

對復合材料進行壓縮性能測試，其壓縮應力-應變曲線見圖4。結合測試過程分析可知，該復合材料在承受壓縮載荷作用時，首先發(fā)生彈性形變，主要表現(xiàn)為復合材料芯柱結構的彎曲變形，彈性形變階段復合材料的應力應變曲線呈現(xiàn)壓縮應力隨壓縮應變直線上升。如圖中a-b段所示；隨著壓縮載荷的繼續(xù)增加，復合材料芯柱結構彎曲幅度逐漸增加，復合材料部分芯柱發(fā)生塑性形變，部分芯柱中的纖維束中的纖維發(fā)生撕裂、錯位、滑移等，該變形階段復合材料的應力應變曲線呈現(xiàn)壓縮應力隨壓縮應變上升，但由于復合材料部分芯柱結構逐一發(fā)生破壞，復合材料應力應變曲線斜率逐漸降低，且當芯柱發(fā)生破壞時曲線發(fā)生鋸齒形下降。見圖中b-c段。

圖4 復合材料壓縮應力-應變曲線

3.2 壓縮性能數(shù)值模擬

圖5為不同位移時復合材料的應力、應變分布云圖。該復合材料在壓縮位移為0.5 mm時，其最大壓縮應力和應變分別為23.762 MPa和0.19893%；當壓縮位移為1.5 mm，其最大壓縮應力和應變分別為118.81 MPa和0.596 78%；當壓縮位移為5 mm，其最大壓縮應力和應變分別為475.25 MPa和3.9785%。選取該復合材料幾個較為典型的壓縮位移載荷下應力-應變分布云圖。由圖5可知，復合材料在承受壓縮載荷作用時，芯柱結構承受較多的載荷作用并產生較大的應變，上下面板則承受載荷較少，產生較小的應變。這說明復合材料在承受壓縮載荷作用時，芯柱結構的力學性能決定了復合材料的力學性能，且破壞主要發(fā)生在芯柱結構上，這與實驗結果吻合。

圖5 復合材料應力-應變分布云圖

3.3 數(shù)字模擬驗證

統(tǒng)計壓縮位移為0.5、1、1.5、5 mm時復合材料的最大應力和最大應變，做出散點圖，并與壓縮測試應力-應變曲線對比，如圖6所示。可以看出，在復合材料的彈性形變階段，復合材料的實際測試結果與模擬結果基本相同，復合材料模擬結果散點圍繞在測試結果應力-應變曲線上下。當壓縮應變超過1%后，測試結果曲線斜率發(fā)生明顯下降，應力應變曲線由直線上升變?yōu)榍€上升，同時曲線出現(xiàn)鋸齒狀下降現(xiàn)象；但由模擬結果可以看出，復合材料應力-應變曲線彈性形變大約持續(xù)到壓縮應變?yōu)?.5%時，曲線才發(fā)生斜率下降的現(xiàn)象，這是由于復合材料結構模型在建立過程中建立了一些基本假設，復合材料在制備過程中可能產生的一些氣泡、缺陷等問題在數(shù)字化模型中均未出現(xiàn)，故該復合材料理論模型在壓縮應變?yōu)?%～1.5%時的壓縮應力均大于實驗值。

圖6 測試與模擬結果對比

當壓縮應變大于1.5%后，該復合材料的壓縮性能模擬曲線斜率與實驗值相似，但同樣由于復合材料結構模型建立時理想性假設的存在，在相同壓縮應變的條件下，該復合材料結構模型壓縮應力模擬結果均大于復合材料的實驗測試值，誤差為33.98±6.80，誤差比例為(8.73±2.92)%。

4 結論

(1)三維中空復合材料壓縮時芯材主要承受壓縮載荷作用并產生較大的壓縮應力和壓縮應變，更容易發(fā)生破壞，5 mm壓縮變形時，最大壓縮應力為475.25 MPa，最大壓縮應變?yōu)?.9785%；上下面板則承受較少的載荷作用，產生較小的壓縮應力和壓縮應變，不易發(fā)生破壞；

(2)本文建立出三維中空復合材料結構模型的壓縮應力應變曲線與試驗測試結果相似，誤差比例僅為(8.73±2.92)%，說明該模型能夠較好的還原復合材料的結構特性。

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Compression Property Testing and FEM Analysis of Hollow Composite

FENG Guyu1QIAN Kun1CAO Haijian1,2WANG Xinyue1LU Xuefeng1

(1 Key Laboratory of Eco-Textile of Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 214122)(2 College of Textile and Clothing,Nantong University,Nantong 226019)

A 3D hollow composite with "X" core structure was designed and composited. Compression characteristic and property of 3D hollow composite were tested by Instron 3385H, and the stress-strain curve was obtained. According to structure parameter of the composite, the structural model was established. Static properties of the composite are simulated by ANSYS Workbench. Simulated result is compared to the testing result. The result showed that the main loads were supported by core structure of composite and the main failure occurred there. Simulated results approximately agree with the experimental, the models have certain veracity.

3D hollow，Composite，Compression property，F(xiàn)EM analysis

2016-09-09；

2016-12-28

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“土工建筑增強材料制備與應用”(2016YFB0303205)；江蘇省自然科學基金-青年基金項目(BK20160157)；江蘇省產學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015019-33、BY2016022-07)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(JUSRP51505)

馮古雨，1992年出生，博士研究生，主要從事紡織復合材料的制備及性能研究。E-mail：fengguyu890@163.com

錢坤，1963年出生，博士生導師，教授，主要從事纖維復合材料的制備及應用。E-mail：qiankun_8@163.com

TB332

10.12044/j.issn.12044-2330.2017.03.007