韓振宇，梅海洋，付云忠，富宏亞

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

復(fù)合材料的應(yīng)用使得航空航天結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，其用量已經(jīng)成為航空航天結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。為克服傳統(tǒng)復(fù)合材料層間性能差的缺點(diǎn)，人們發(fā)展了三維紡織復(fù)合材料。相對(duì)于三維機(jī)織、三維針織等紡織技術(shù)，三維編織技術(shù)由于具有復(fù)雜構(gòu)件一次成型、截面可連續(xù)變化、紗線取向可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。三維編織復(fù)合材料首先利用三維編織技術(shù)將增強(qiáng)纖維編織成三維整體織物(預(yù)成型體)，再和基體進(jìn)行復(fù)合，從而制成復(fù)合材料制件。三維編織預(yù)成型體可以增強(qiáng)樹(shù)脂、碳、陶瓷、金屬等多種基體，根據(jù)基體的不同其復(fù)合方法也不盡相同，例如復(fù)合樹(shù)脂基體的RTM(樹(shù)脂傳遞模塑工藝)及復(fù)合碳和陶瓷基體的CVI(化學(xué)氣相滲透工藝)。

三維編織復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維具有空間交織的整體結(jié)構(gòu)，因此除了具有傳統(tǒng)復(fù)合材料高比強(qiáng)、高比模的優(yōu)點(diǎn)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(jīng)過(guò)多年發(fā)展，三維編織復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)成功應(yīng)用到航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域，并開(kāi)始出現(xiàn)生物組織方面的探索，但三維編織復(fù)合材料的應(yīng)用依然發(fā)展緩慢。除加工效率低、價(jià)格昂貴以外，理論研究的滯后也是重要的原因之一。

相對(duì)于其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，三維編織復(fù)合材料優(yōu)異性能的獲得完全依賴于其獨(dú)特的纖維交織結(jié)構(gòu)，正確認(rèn)識(shí)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)是進(jìn)行力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)，而對(duì)纖維空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化離不開(kāi)編織方法及設(shè)備。本文從三維編織預(yù)成型體織造技術(shù)及三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行綜述，回顧了其發(fā)展歷程，分析了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題及方法，并對(duì)后續(xù)研究方向進(jìn)行了展望，希望通過(guò)本文的工作為相關(guān)研究人員全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀提供一定的參考。

1 三維編織預(yù)成型體織造技術(shù)

1.1 三維編織預(yù)成型體織造方法及設(shè)備

為克服二維編織復(fù)合材料無(wú)法在厚度方向上增強(qiáng)的缺點(diǎn)，三維編織的概念被提出。從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，出現(xiàn)了多種三維編織方法及設(shè)備。

1982年，美國(guó)通用電氣的Florentine[1]發(fā)表了其專利“Magnaweave”，建立了一臺(tái)21×21的縱橫編織機(jī)，完善了四步法三維編織。四步法的編織過(guò)程如圖1所示，在一個(gè)編織周期內(nèi)，編織紗線沿著正交的兩個(gè)方向依次進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)完整的編織周期中攜紗器需要完成4個(gè)動(dòng)作，因此被稱為四步法。改變編織機(jī)底盤(pán)結(jié)構(gòu)及攜紗器的配置，使攜紗器做徑向與周向運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)用于管狀構(gòu)件編織的四步法圓形編織。傳統(tǒng)的四步法編織為1×1模式，即每步均移動(dòng)一個(gè)攜紗器的位置，通過(guò)改變正交方向運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)可得到1×2等不同編織方式。此外，還可以在對(duì)應(yīng)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(yīng)用。

1987年，美國(guó)杜邦公司的McConnell等[2]提出了二步法編織，通過(guò)運(yùn)動(dòng)的編織紗將保持不動(dòng)的軸向紗線捆綁在一起，相對(duì)于其他方法，其織造的織物軸向紗線含量高，但編織結(jié)構(gòu)的變化能力有限。

圖1 四步法編織過(guò)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(guò)所有“層”，而是層與層之間互鎖，選用不同特性的紗線構(gòu)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(fā)展而來(lái)的旋轉(zhuǎn)法三維編織，這些編織方法的出現(xiàn)顯著地豐富了織物的結(jié)構(gòu)種類。

從編織機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式上來(lái)說(shuō)，三維編織技術(shù)可以分為縱橫編織與旋轉(zhuǎn)編織兩類?？v橫編織機(jī)(行列式編織機(jī))一般采用氣缸等元件推動(dòng)攜紗器在導(dǎo)軌中作行與列的運(yùn)動(dòng)，其攜紗器排布密集，可載紗數(shù)量多，但運(yùn)動(dòng)速率較低且不連續(xù)，因此其效率較低。1994年，美國(guó)Atlantic Research公司研制了可掛14000根紗線的大型圓形三維編織機(jī)[4]。1996年，天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制了由計(jì)算機(jī)控制的方形三維編織機(jī)，該設(shè)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(guó)內(nèi)最大的三維編織設(shè)備[4]。

旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)(角輪式編織機(jī))依靠角輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)攜紗器在底盤(pán)上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)較為流暢，編織效率高，但缺點(diǎn)在于可載紗數(shù)量較少。多家公司及研究機(jī)構(gòu)都研制了旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)，例如德國(guó)Herzog公司[5]，美國(guó)3Tex公司[6-7]，北京柏瑞鼎公司[8]，日本京都工藝?yán)w維大學(xué)[9]。其中Herzog公司與3Tex公司采用獨(dú)立控制的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制攜紗器在交換點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)，使得攜紗器運(yùn)動(dòng)的自由程度大大增加，在理論上可以到達(dá)底盤(pán)的任意位置。在引入飾帶編織技術(shù)[10]后，旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)的攜紗器儲(chǔ)量得以成倍提升，3Tex公司開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的編織機(jī)并用于商業(yè)應(yīng)用，該公司見(jiàn)于報(bào)道的編織機(jī)最大可容納576根編織紗和144根軸向紗，遠(yuǎn)低于縱橫編織機(jī)攜紗器數(shù)量。最近，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和英屬哥倫比亞大學(xué)[11]聯(lián)合開(kāi)發(fā)了六角形編織機(jī)，可以編織直徑小于20μm和16旦的纖維，致力于開(kāi)發(fā)醫(yī)用復(fù)合材料，如圖2所示。在角輪數(shù)目一定的情況下，六角形編織機(jī)攜紗器數(shù)目更多，運(yùn)動(dòng)自由程度更大，目前開(kāi)發(fā)的第二代原型機(jī)[12]比第一代攜紗器數(shù)目增加了一倍。

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

每臺(tái)編織機(jī)的最大攜紗器數(shù)目是確定的，而織物尺寸受設(shè)備尺寸的制約且相差很大，這限制了三維編織的應(yīng)用。為此，多家公司及研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了組合式編織機(jī)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化模塊的組合來(lái)滿足不同的編織需求，在一定程度上降低了設(shè)備成本。

1.2 三維編織預(yù)成型體織造理論及過(guò)程研究

三維編織復(fù)合材料中纖維束的交織結(jié)構(gòu)主要取決于編織方法，為了開(kāi)發(fā)出性能更加優(yōu)異的編織材料，部分研究人員將目光投放到復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新編織工藝的開(kāi)發(fā)之上。Tada等[9]介紹了多種矩形及其組合橫截面預(yù)制件的編織工藝，并提出了紗線陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)公式。劉兆麟等[13-14]對(duì)變截面三維編織預(yù)制件的減紗技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同減紗方式對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。馬文鎖等[15-16]采用對(duì)稱群理論將編織紗線等效為不同的點(diǎn)符號(hào)，并推導(dǎo)出新的編織幾何結(jié)構(gòu)形式，為設(shè)計(jì)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(tǒng)正交機(jī)織的新型三維編織材料，其纖維體積分?jǐn)?shù)高于傳統(tǒng)的三維正交機(jī)織復(fù)合材料，且更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。Grishanov等[18-19]將紐結(jié)理論應(yīng)用于織物的描述與分類，以期建立織物結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，目前其對(duì)具有空間交織結(jié)構(gòu)織物的表征能力仍然有待提高。對(duì)新型編織方法的探索即是對(duì)新的編織結(jié)構(gòu)的探索，然而當(dāng)前并沒(méi)有一個(gè)明確的優(yōu)化目標(biāo)以及行之有效的理論模型表征編織結(jié)構(gòu)，因此對(duì)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(duì)于提高三維編織織造能力有重要意義，已在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。近期，Guyader等[20]對(duì)采用芯模輔助織造的多層連鎖編織過(guò)程進(jìn)行了研究，建立了加工參數(shù)與芯模結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，另有多位學(xué)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(jī)械手臂牽引的芯模能夠沿著任意方向運(yùn)動(dòng)，這使得編織具有復(fù)雜曲面的預(yù)成型體成為可能，系統(tǒng)地對(duì)三維編織芯模輔助織造進(jìn)行理論研究勢(shì)在必行。此外，在編織過(guò)程中張力對(duì)紗線的質(zhì)量和織物的織造有著不可忽視的影響，有些學(xué)者開(kāi)始將研究方向轉(zhuǎn)向?qū)椢镔|(zhì)量進(jìn)行控制。Branscomb等[24]研究了紗線張力對(duì)編織成型點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)采集因紗線張力變化導(dǎo)致故障發(fā)生時(shí)編織點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)圖案，為編織過(guò)程自動(dòng)控制提供參考。Ma等[25]建立了攜紗器張力的數(shù)學(xué)模型，對(duì)編織過(guò)程中紗線張力的變化過(guò)程進(jìn)行了研究。為更好地對(duì)紗線張力進(jìn)行控制，F(xiàn)abich等[26]提出了主動(dòng)攜紗器的概念。主動(dòng)攜紗器造價(jià)高昂，而三維編織所需攜紗器數(shù)量眾多，因此通過(guò)攜紗器結(jié)構(gòu)將紗線張力控制在一定范圍內(nèi)，并通過(guò)采集編織點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)圖像來(lái)檢測(cè)故障是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)編織質(zhì)量自動(dòng)控制的解決方案。

目前三維編織方法及設(shè)備的織造能力有限，在編織大尺寸及微小尺寸構(gòu)件方面存在著局限性，對(duì)于復(fù)雜曲面構(gòu)件的編織也是一個(gè)難點(diǎn)。此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件的編織仍然需要大量人工輔助，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這些都限制了三維編織復(fù)合材料在工程實(shí)際中的應(yīng)用，值得我們深入研究。

2 三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)及組分材料決定了材料的性能。三維編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，學(xué)者們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，這些研究主要集中在四步法編織復(fù)合材料，以下均為針對(duì)四步法編織復(fù)合材料的研究。

2.1 簡(jiǎn)化模型

20世紀(jì)90年代以前，學(xué)者們對(duì)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅的簡(jiǎn)化。Ko[27]提出了“纖維構(gòu)造”的術(shù)語(yǔ)，首次定義了矩形截面預(yù)制件中表示纖維構(gòu)造的單胞模型。以此為基礎(chǔ)， Ma等[28]根據(jù)復(fù)合材料內(nèi)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(jì)算提供了一定的依據(jù)，但不能反映材料內(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu)。

圖3 三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)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?fù)淠Ｐ?/h3>

20世紀(jì)90年代以后，研究人員對(duì)其進(jìn)行了更為深入的研究，逐步建立起符合其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的單胞模型，并據(jù)此建立了工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。Li等[30]根據(jù)沿與預(yù)制件表面成45°的方向?qū)㈩A(yù)制件切開(kāi)獲得的圖像，建立了表征預(yù)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(yù)制件的單胞模型，并在復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算中考慮了纖維填充因子和打緊系數(shù)的影響。吳德隆等[33-34]首次提出了由可重復(fù)的基元、面元和柱元組成的三細(xì)胞模型。Wang等[35-36]提出了用控制體積的方法來(lái)建立預(yù)制件中纖維束的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將方形預(yù)制件分為內(nèi)部、表面、角部三個(gè)區(qū)域，并識(shí)別了三個(gè)區(qū)域的單胞。

此外，Kalidindi等[37]對(duì)“米”字型單胞模型進(jìn)行了修正，用曲線來(lái)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(biāo)準(zhǔn)化節(jié)距為織物結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，將編織角和纖維體積分?jǐn)?shù)看作其函數(shù)，為設(shè)計(jì)三維編織復(fù)合材料提供了一定的依據(jù)。

上述研究工作給出了三維編織預(yù)成型體結(jié)構(gòu)的“骨架”，后續(xù)的研究工作大都采用控制體積法來(lái)建立單胞模型，并對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部纖維束的空間分布和截面形狀進(jìn)行了探索，以提高模型精度。韓其睿等[39]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將纖維束截面假設(shè)為橢圓形。龐寶君等[40-41]深入討論了單胞內(nèi)纖維束在空間的分布規(guī)律，從幾何上建立了材料單胞的結(jié)構(gòu)模型。李嘉祿等[42-43]采用計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)對(duì)三維編織復(fù)合材料中纖維束走向及橫截面進(jìn)行了研究，認(rèn)為復(fù)合材料內(nèi)部纖維束呈直線狀態(tài)，并獲得了復(fù)合材料內(nèi)部、邊部和角部纖維束橫截面的不同形狀。成玲等[44]采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)三維編織復(fù)合材料的斷層剖面圖像進(jìn)行處理，提取了清晰的編織紗線輪廓。Chen等[45-46]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(如圖4所示)，在橢圓形截面紗線的基礎(chǔ)上建立了較為準(zhǔn)確的紗線擠壓條件，進(jìn)一步完善了三單胞模型。李金超等[47-48]根據(jù)CCD顯微鏡攝像儀獲取的三維五向編織復(fù)合材料的截面圖像，分析了紗線的排列規(guī)律及其截面形狀的變化。

與此同時(shí)，有些學(xué)者對(duì)單胞的劃分進(jìn)行了更為詳盡的研究。Byun等[49]建立了占據(jù)復(fù)合材料整個(gè)截面的單胞模型，以期獲得更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)參數(shù)。陳利等[50]采用最小二乘法擬合三維編織過(guò)程中攜紗器的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)線，在此基礎(chǔ)上建立了取向平行于預(yù)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(duì)此做了詳細(xì)的描述。

圖4 三維四向編織復(fù)合材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)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(shí)體模型

隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始著手建立能夠反映復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。Pandey等[53]首次通過(guò)CAD模型來(lái)描述三維編織復(fù)合材料的代表性單元體，王毅強(qiáng)等[54]、邵將等[55]、何紅闖等[56]通過(guò)分析編織紗線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用不同三維建模軟件建立了三維編織預(yù)制件實(shí)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(shù)預(yù)制體孔隙的實(shí)體結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。三維編織復(fù)合材料具有“皮芯”結(jié)構(gòu)，其表面及角部區(qū)域具有不可忽視的作用[58]，Zhang等[59]對(duì)其進(jìn)行了詳盡的研究，圖6為其建立的3種單胞的實(shí)體模型。

圖6 三單胞實(shí)體模型[59](a)內(nèi)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(jìn)一步發(fā)展了基于CAD的復(fù)合材料建模方法，為有限元計(jì)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(jì)算量，學(xué)者們根據(jù)纖維束的空間交織關(guān)系和接觸特征，給出了不同的纖維束橫截面形狀假設(shè)。盧子興等[62-63]將三維編織復(fù)合材料內(nèi)部纖維束截面假設(shè)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(shè)為八邊形，并考慮了內(nèi)部和表面區(qū)域紗線因擠緊狀態(tài)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(lái)進(jìn)行模擬。徐焜等[66-67]在三維五向編織復(fù)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(jiǎn)化為正方形。以上模型均認(rèn)為纖維束在材料內(nèi)部保持直線狀態(tài)，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(shè)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(kāi)始著手對(duì)纖維束的真實(shí)狀況進(jìn)行表征。方國(guó)東等[68-69]采用八邊形模擬內(nèi)部單胞纖維束截面，并將該截面的表面部分分為六個(gè)區(qū)域，通過(guò)隨機(jī)函數(shù)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(lái)模擬纖維束路徑。徐焜等[71]通過(guò)平均扭曲角來(lái)表征紗線的扭曲變形。Zhang等[72]根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，將三維五向編織復(fù)合材料中纖維束截面假設(shè)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(guī)律，王榮橋等[74]提出了一種考慮打緊工藝導(dǎo)致纖維束截面形狀沿其軌跡方向連續(xù)變化的單胞模型。由近年研究成果可知，三維編織復(fù)合材料中纖維束的彎曲、扭曲及截面變化對(duì)其力學(xué)性能有著不可忽視的影響，建立預(yù)制件內(nèi)部真實(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于其復(fù)合固化過(guò)程的研究也有著重要意義。三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展經(jīng)歷了由抽象到具體的過(guò)程，當(dāng)前的研究方向在于合理的表征復(fù)合材料中纖維束的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)，獲得更為準(zhǔn)確的分析模型。上述模型基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，在一定程度上考慮了纖維束的變形，但僅僅對(duì)一類纖維束的變形進(jìn)行了表征，且采用的是一種近似手段，而沒(méi)有探索其變形機(jī)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(xiàn)了一些對(duì)纖維束的變形機(jī)理進(jìn)行探索的建模方法。Wang等[75-77]提出多鏈路數(shù)字單元法來(lái)建立織物的幾何模型，該方法將纖維束看成多條數(shù)字單元鏈條的集合，鏈條則由通過(guò)銷連接的數(shù)字桿組成，鏈條之間及纖維束之間通過(guò)接觸單元連接。由于數(shù)字桿單元的長(zhǎng)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(chǎn)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(jī)織織物十分接近真實(shí)結(jié)構(gòu)[78-79]。此外，該方法不僅可以用于預(yù)測(cè)織物的力學(xué)行為[80-82]，還在預(yù)測(cè)復(fù)合材料力學(xué)行為方面存在一定的潛能[83]。然而，采用這種方法建立復(fù)合材料分析模型前需要對(duì)織物模型進(jìn)行大量的人工處理工作，未來(lái)的研究重點(diǎn)在于改進(jìn)該建模方法使其能夠高效地建立復(fù)合材料分析模型以及將模型應(yīng)用范圍擴(kuò)展到復(fù)合固化等工藝過(guò)程的模擬。另外有些學(xué)者[84-85]基于最小勢(shì)能原理研究機(jī)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(duì)二維及三維機(jī)織織物建模，并將幾何模型、力學(xué)模型及滲透率分析模型結(jié)合在一起，極大地提高了對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行性能分析的效率。該方法將纖維束假設(shè)為一定形狀，再通過(guò)變形能計(jì)算其結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(lǐng)域。在逼近纖維束真實(shí)狀況的過(guò)程中，也需要注意過(guò)分追求幾何上的相似會(huì)給有限元模擬帶來(lái)不必要的麻煩。

圖9 用多鏈路數(shù)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(gòu)件細(xì)觀結(jié)構(gòu)

管狀三維編織預(yù)制件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)比方形預(yù)制件更加復(fù)雜，紗線之間的接觸難以從理論方面分析。Wang等[87]根據(jù)三維編織預(yù)制件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相似性，采用映射的方法對(duì)圓形截面預(yù)制件中纖維束的空間分布進(jìn)行了分析。陳利等[88]采用控制體積法識(shí)別了平行于預(yù)制件表面的單胞結(jié)構(gòu)。Sun[89]采用多鏈路數(shù)字單元法對(duì)其進(jìn)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(lái)描述三維編織復(fù)合材料及其構(gòu)件的幾何特性，對(duì)三維編織火箭噴管的纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。近期，王一博等[92]基于自由變形理論，推導(dǎo)了矩形單胞到管狀單胞的幾何映射關(guān)系，建立起較為準(zhǔn)確的管狀編織復(fù)合材料單胞結(jié)構(gòu)。當(dāng)前所研究管狀構(gòu)件均為直管，彎管及三通管等更加復(fù)雜的管狀構(gòu)件其內(nèi)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(jiàn)針對(duì)這些管狀構(gòu)件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分析方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)在三維編織預(yù)成型體織造方面的研究成果較少，缺乏系統(tǒng)的理論來(lái)描述當(dāng)前編織方法及開(kāi)發(fā)新方法，而對(duì)其編織能力及編織過(guò)程的研究也明顯滯后于工程實(shí)踐。當(dāng)前在三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究方面在于表征復(fù)合材料中纖維束的真實(shí)狀況，學(xué)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(xiàn)對(duì)預(yù)成型體變形機(jī)理進(jìn)行探索的方法，但建立其與工藝過(guò)程之間的關(guān)系還需要進(jìn)行大量的研究工作。三維編織復(fù)合材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車船舶等眾多領(lǐng)域，但理論研究的滯后限制了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用，有以下幾個(gè)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?qū)崿F(xiàn)的織物結(jié)構(gòu)有限。為充分利用復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，值得從纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)對(duì)編織基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，從而優(yōu)化當(dāng)前編織方法及開(kāi)發(fā)新的編織方法，以獲得更優(yōu)異的織物結(jié)構(gòu)。

(2)工藝過(guò)程的研究。三維編織預(yù)成型體的織造及后續(xù)復(fù)合固化過(guò)程都將影響其最終結(jié)構(gòu)，從而影響材料的性能。在當(dāng)前對(duì)三維編織復(fù)合材料的理論研究中忽略了工藝過(guò)程的影響，根據(jù)理想化的最終制件去建立理論分析模型。為提高模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)將工藝過(guò)程的影響考慮進(jìn)模型中，并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。

(3)檢測(cè)技術(shù)的研究。近年來(lái)，檢測(cè)技術(shù)(如X射線、超聲波等)在各種復(fù)合材料制件中得到了大量的應(yīng)用，為了解其真實(shí)結(jié)構(gòu)(包括缺陷)做出了重要的貢獻(xiàn)。當(dāng)前對(duì)于三維編織復(fù)合材料的檢測(cè)較少，對(duì)纖維束變形情況了解有限。為支撐細(xì)觀模型的進(jìn)一步發(fā)展，定量地獲得其真實(shí)準(zhǔn)確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息十分必要。

(4)CAD/CAM/CAE一體化的研究。當(dāng)前三維編織CAD與CAM的結(jié)合已經(jīng)相對(duì)成熟，而對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析則需要實(shí)體建模軟件、網(wǎng)格劃分軟件和有限元軟件等多個(gè)軟件的配合使用，耗費(fèi)大量的人力。將這些功能集成到一起，通過(guò)加工過(guò)程仿真自動(dòng)獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)建立分析模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算，這將大大提高三維編織復(fù)合材料設(shè)計(jì)的效率。