譚煥成，覃文源，劉升旺，劉 文，陳璐璐，王禎鑫

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海 201108)

0 引 言

紡織復(fù)合材料是采用現(xiàn)代紡織技術(shù)制備的一種新型結(jié)構(gòu)材料。目前的紡織技術(shù)主要包括編織、針織、機(jī)織和縫合等，其中編織和機(jī)織根據(jù)維度的不同，可分為二維機(jī)織、二維編織、三維機(jī)織和三維編織[1-4]。二維機(jī)織復(fù)合材料由于面內(nèi)0°和90°纖維束為正交交織排列，其抗裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)，但織物呈現(xiàn)正交各向異性，導(dǎo)致面內(nèi)剪切性能較低。二維編織復(fù)合材料中軸向和兩根偏軸的纖維束交錯(cuò)編織，其面內(nèi)力學(xué)性能趨于準(zhǔn)各向同性，整體性能良好。

紡織復(fù)合材料一般以一層二維機(jī)織或編織材料為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)定的鋪設(shè)方向和順序疊層至復(fù)合材料所需厚度尺寸，經(jīng)黏合及加熱固化處理后形成，其結(jié)構(gòu)為層狀疊層結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合材料具有面內(nèi)比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好和力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。該復(fù)合材料雖然具有非常優(yōu)異的面內(nèi)性能，但由于厚度方向缺少呈二維層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的增強(qiáng)纖維，其厚度方向的剛度和強(qiáng)度主要由力學(xué)性能較弱的基體及纖維與基體的界面決定，因此其層間強(qiáng)度低、剪切模量小,并且容易出現(xiàn)沖擊分層等問題，這限制了其使用范圍，特別是在易受沖擊結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[5-6]。

三維編織增強(qiáng)型復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱三維編織復(fù)合材料)是一種新型的由立體編織技術(shù)制備得到的復(fù)合材料，其增強(qiáng)預(yù)制體由連續(xù)、多向纖維束編織成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，穿插在厚度方向的連續(xù)纖維束增大了復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，避免了分層破壞，使得復(fù)合材料具有高的抗沖擊性能、損傷容限和抗疲勞破壞性能。同時(shí)，該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可用于生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀的凈尺寸構(gòu)件，目前已應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，未來的發(fā)展?jié)摿薮骩7-11]。

三維編織復(fù)合材料可用于制造復(fù)雜葉型的寬弦葉片，提高葉片的損傷容限，從而降低對(duì)風(fēng)扇葉盤的強(qiáng)度要求。與金屬材料的風(fēng)扇葉片相比，采用三維編織碳纖維復(fù)合材料制造的風(fēng)扇葉片具有質(zhì)輕，抗疲勞、抗沖擊、抗振性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)；與金屬機(jī)匣相比，采用三維編織碳纖維復(fù)合材料制造的機(jī)匣具有質(zhì)輕，強(qiáng)度、剛度高，穩(wěn)定性好，抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12-14]。

三維編織復(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，可選的組分材料(纖維束、樹脂等)多樣，因此通過試驗(yàn)測(cè)試其力學(xué)性能的工作量非常大，一般采用試驗(yàn)和有限元仿真相結(jié)合的方式研究其力學(xué)性能。三維編織復(fù)合材料的有限元模擬包括宏觀模擬和細(xì)觀模擬。宏觀模擬是在合理簡(jiǎn)化三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)后，將其假設(shè)成橫觀各向同性且連續(xù)的介質(zhì)體進(jìn)行仿真的。該模擬方法建模簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確反映三維編織復(fù)合材料破壞時(shí)的宏觀形貌，但是不能揭示破壞過程中纖維束和樹脂基體的損傷機(jī)理，并且忽略了復(fù)合材料的界面損傷，一般用于初始三維復(fù)合材料編織參數(shù)的設(shè)計(jì)或試驗(yàn)前三維編織復(fù)合材料性能的評(píng)估計(jì)算。細(xì)觀模擬則會(huì)建立三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀幾何模型，將復(fù)合材料中各組分材料的性能分開進(jìn)行研究，通常纖維束使用橫觀各向同性的彈性力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，基體使用各向同性的本構(gòu)關(guān)系，纖維束和基體之間采用定義接觸或界面單元進(jìn)行連接。細(xì)觀模擬方法分別選取合適的纖維束和樹脂的破壞準(zhǔn)則及漸進(jìn)損傷演化機(jī)制，可以分別研究纖維束和樹脂基體的拉伸、壓縮以及剪切性能，揭示纖維束和基體的脫黏、損傷機(jī)理；但該模擬方法建模復(fù)雜。在工程應(yīng)用中，宏觀和細(xì)觀模擬相輔相成，宏觀模擬可以獲取構(gòu)件的整體變形和應(yīng)力分布，細(xì)觀模擬可以揭示關(guān)鍵位置的破壞機(jī)理，二者結(jié)合既能平衡建模難度，又能提高預(yù)測(cè)精度和計(jì)算效率。復(fù)合材料中各組分材料的性能和幾何參數(shù)決定了復(fù)合材料的宏觀性能，即細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能，因此需對(duì)復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后才能作出合理的假設(shè)并建立可靠的宏觀模型；建立合理的細(xì)觀幾何模型是研究三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的前提[15-16]。為了給廣大研究人員提供參考，作者綜述了三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何模型及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究進(jìn)展，并對(duì)未來研究方向進(jìn)行展望。

1 細(xì)觀幾何模型

材料幾何模型的合理性是保證后續(xù)理論和數(shù)值分析準(zhǔn)確度的一個(gè)重要因素。與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、二維機(jī)織或編織復(fù)合材料和三維機(jī)織復(fù)合材料相比，三維編織復(fù)合材料中預(yù)制體的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而力學(xué)性能與預(yù)制體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，因此首先需要確定三維編織復(fù)合材料內(nèi)部預(yù)制體的空間位置控制點(diǎn)坐標(biāo)，再通過合適的軟件建立細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型。目前主要采用兩種方法建立三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)幾何模型：(1) 由于預(yù)制體的結(jié)構(gòu)由編織工藝決定，早期研究一般先根據(jù)編織工藝假設(shè)內(nèi)部纖維束的空間位置，然后采用工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層(CT)掃描或X射線技術(shù)對(duì)內(nèi)部纖維束的分布和走向進(jìn)行觀察，建立具有代表性的復(fù)合材料局部結(jié)構(gòu)幾何模型[17-21]。該模型只能反映三維編織復(fù)合材料的典型特征，主要用于編織結(jié)構(gòu)彈性模量、傳熱性能和疲勞性能的預(yù)測(cè)。(2) 根據(jù)三維編織工藝參數(shù)，采用編程方法模擬編織的整個(gè)過程，獲取纖維束運(yùn)動(dòng)軌跡的空間坐標(biāo)點(diǎn)，把所有坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件中進(jìn)行整體三維編織結(jié)構(gòu)的三維可視化實(shí)體建模[22-25]。

基于上述兩種建模方法，研究者基于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在空間上呈周期性的特點(diǎn)以及試驗(yàn)觀察到的三維編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，假設(shè)編織纖維束橫截面為規(guī)則形狀，擬合編織纖維束的空間方向，劃分不同的分析區(qū)域，提出了包含三維編織復(fù)合材料主要結(jié)構(gòu)特征的代表性體積單元(RVE)模型；利用該RVE模型開展了三維編織復(fù)合材料剛度、強(qiáng)度和疲勞性能的研究，并將研究結(jié)果擴(kuò)展，用擴(kuò)展后的結(jié)果代表整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

根據(jù)聯(lián)邦航空條例和《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片需具備一定的抗外物損傷能力。在實(shí)際服役過程中，風(fēng)扇葉片受外物撞擊的時(shí)間很短，應(yīng)變速率較高，慣性力較大，因此需考慮應(yīng)變速率和慣性力對(duì)材料力學(xué)性能的影響，從而提高三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性[26]。

2.1 動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮性能

三維編織復(fù)合材料作為一種多相結(jié)構(gòu)材料，整體的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與各組分材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，因此試驗(yàn)過程主要研究組分材料(纖維束和樹脂)和整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。目前關(guān)于三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試樣的制備還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，研究者基于金屬動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試樣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，考慮實(shí)際加工難度以及加工損傷對(duì)力學(xué)性能的影響，將編織類復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)拉伸試樣設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，并且動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試樣要保證包含一定數(shù)量的單胞(至少3個(gè)單胞)以確保試驗(yàn)結(jié)果具有代表性。SUN等[27]和GU等[28]采用尺寸分別為10.2 mm×8.3 mm×3.6 mm和10.4 mm×8.9 mm×5.6 mm的三維四向編織復(fù)合材料試樣進(jìn)行了面內(nèi)和面外動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。LI等[29-30]采用尺寸為13.5 mm×10 mm×10 mm的三維四向編織復(fù)合材料試樣進(jìn)行了縱向和橫向動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。WAN等[31]和ZHANG等[32]均采用尺寸為9 mm×9 mm×9 mm的正方體試樣研究了三維四向編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。LIU等[33]采用尺寸分別為8 mm×6.6 mm×6.6 mm、8 mm×8.7 mm×8.7 mm、8 mm×10.8 mm×10.8 mm、8 mm×12.9 mm×12.9 mm和8 mm×15 mm×15 mm的試樣研究了橫截面尺寸對(duì)三維編織復(fù)合材料彈性模量和壓縮強(qiáng)度的影響。

TANG等[34]研究了三維編織碳纖維復(fù)合材料在不同應(yīng)變速率下的壓縮斷裂特征，發(fā)現(xiàn)斷裂模式與應(yīng)變速率有關(guān)，裂紋萌生于邊界處的纖維束周圍，并在纖維束之間的樹脂區(qū)域擴(kuò)展，最后在纖維束卷曲處斷裂。GU等[28]和SUN等[35]對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)變速率為800～3 500 s-1的面內(nèi)和面外動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的壓縮剛度、失效應(yīng)力和失效應(yīng)變均與應(yīng)變速率有關(guān)。LI等[29-30]對(duì)三維五向編織碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)變速率為350～1 600 s-1的壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)初始階段的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)正相關(guān)；壓縮過程中復(fù)合材料的沖擊韌性隨應(yīng)變速率的增加而增強(qiáng)。ZHU等[36]對(duì)玄武巖纖維束進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的應(yīng)變速率為0.001 s-1，動(dòng)態(tài)拉伸的應(yīng)變速率為600～3 000 s-1，結(jié)果表明隨著應(yīng)變速率增大，玄武巖纖維束的剛度和失效應(yīng)力明顯增大，失效應(yīng)變減小，且其失效強(qiáng)度符合Weibull分布。GAN等[37]對(duì)三維編織玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料的拉伸彈性模量、失效強(qiáng)度和失效應(yīng)變對(duì)應(yīng)變速率較敏感；隨著應(yīng)變速率增大，復(fù)合材料從韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。DANIEL等[38]對(duì)層合復(fù)合材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，建立了應(yīng)變速率對(duì)復(fù)合材料橫向模量、剪切模量和壓縮強(qiáng)度影響的函數(shù)模型。ZHANG等[32]對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和應(yīng)變速率分別為800，1 500，2 000 s-1的動(dòng)態(tài)縱向和橫向壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明材料在縱向和橫向上的壓縮性能均對(duì)應(yīng)變速率敏感，彈性模量和壓縮強(qiáng)度均隨應(yīng)變速率的增大而增大；縱向壓縮的彈性模量和失效強(qiáng)度較準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的分別提高了125%～478%和61%～179%。譚柱華等[39]研究了三維編織碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮載荷下的力學(xué)性能，得到了應(yīng)變速率為900～1 500 s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變速率下復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)下的均明顯增大，且以剪切破壞失效為主。李冰柯等[40]對(duì)三維四向和三維五向編織復(fù)合材料進(jìn)行了橫向沖擊試驗(yàn)，利用高速攝影記錄了沖擊變形和損傷擴(kuò)展情況，研究了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料橫向沖擊變形行為的影響。黃雄等[41]、TAN等[42]、CUI等[43]分別開展了不同編織角和應(yīng)變速率的三維四向和三維五向編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)編織角和應(yīng)變速率會(huì)明顯影響復(fù)合材料的彈性模量和失效強(qiáng)度，且復(fù)合材料的破壞模式與編織角有關(guān)。

上述研究表明，應(yīng)變速率會(huì)明顯影響三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，高應(yīng)變速率下復(fù)合材料的力學(xué)性能較準(zhǔn)靜態(tài)下的增強(qiáng)，因此需對(duì)高應(yīng)變速率下的力學(xué)性能進(jìn)行合理修正。動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)由于需要可靠的手段連接試驗(yàn)件和動(dòng)態(tài)拉伸桿，且三維編織復(fù)合材料的拉伸性能比其壓縮性能高得多，因此對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和信號(hào)采集的要求極高，目前公開報(bào)道的三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能主要為動(dòng)態(tài)壓縮性能，動(dòng)態(tài)拉伸性能仍需探索。

2.2 動(dòng)態(tài)失效準(zhǔn)則

材料的本構(gòu)模型包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、初始失效準(zhǔn)則和失效后的材料性能演變。一般認(rèn)為材料失效是內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷累積的過程，在研究材料從初始損傷到完全失效的過程中，需要對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行合理折減。目前，三維編織復(fù)合材料專用的失效準(zhǔn)則還沒有建立，研究者們一般把三維編織復(fù)合材料簡(jiǎn)化成縱向、橫向和厚度方向的層合復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)，將3個(gè)方向的應(yīng)變速率對(duì)力學(xué)性能的影響引入靜態(tài)本構(gòu)模型進(jìn)行修正，將修正后的模型作為復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，并采用現(xiàn)有的層合復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則作為失效判據(jù)。

CHUNG等[44]和RYOU等[45]以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為研究對(duì)象，提出了考慮黏彈性的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的塑性本構(gòu)模型，描述了復(fù)合材料的非線性各向異性力學(xué)行為。WAN等[31]建立了考慮應(yīng)變速率效應(yīng)的三維編織復(fù)合材料多尺度有限元模型，采用該模型模擬了壓縮性能，模型中樹脂采用J2各向同性硬化塑性本構(gòu)模型，應(yīng)變速率效應(yīng)利用Cowper-Symonds指數(shù)函數(shù)表示，纖維束服從各向異性的Hill塑性失效準(zhǔn)則。ZHANG等[32]采用ABAQUS軟件建立了高應(yīng)變速率的三維編織復(fù)合材料細(xì)觀有限元模型，樹脂采用考慮應(yīng)變速率效應(yīng)的彈塑性本構(gòu)模型，塑性硬化服從J2各向同性硬化理論，纖維束采用不同應(yīng)變速率下的橫觀各向同性本構(gòu)關(guān)系并使用Hill各向異性塑性破壞準(zhǔn)則。NOBEEN等[46]對(duì)纖維束和基體分別采用Hashin和Stassi失效準(zhǔn)則，利用ABAQUS軟件建立了編織角分別為15°，25°，35°和40°的編織復(fù)合材料的細(xì)觀代表性單胞(RUC)二維三軸有限元模型，模擬結(jié)果表明4種編織角復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)基本一致，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大先增大后減小，材料軸向失效強(qiáng)度隨編織角的增大而減小。黃橋平等[47]對(duì)層合復(fù)合材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，基于損傷能釋放率建立了彈塑性損傷模型，并利用LS-DYNA軟件研究了復(fù)合材料層合板的沖擊性能，其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

與三維編織復(fù)合材料的靜態(tài)失效相比，復(fù)合材料在高應(yīng)變速率下的損傷與破壞過程較復(fù)雜，材料性能、加載方式不同，其斷裂模式也不同，因此需考慮復(fù)合材料的性能和加載方式來確定損傷失效模型。

2.3 高速?zèng)_擊性能

高速?zèng)_擊時(shí)，金屬材料主要通過塑性變形吸收能量，而三維編織復(fù)合材料主要通過組分材料的失效破壞來吸收能量[48]。三維編織復(fù)合材料的預(yù)制體采用連續(xù)纖維束編織，在高速?zèng)_擊作用下破壞時(shí)，損傷部位萌生裂紋，但損傷主要集中在局部沖擊位置，周圍的纖維仍然連續(xù)且相互交錯(cuò)，裂紋擴(kuò)展較難，因此三維編織復(fù)合材料可應(yīng)用于易受沖擊的結(jié)構(gòu)件中。

JENQ等[49-50]對(duì)三維編織玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了高速?zèng)_擊試驗(yàn)，獲得了材料的載荷-位移曲線，分析了其破壞模式，并假設(shè)復(fù)合材料宏觀上為連續(xù)介質(zhì)，通過自定義子程序嵌入MARC軟件進(jìn)行高速?zèng)_擊數(shù)值模擬，模擬破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果一致。徐靜怡等[51]和顧伯洪等[52]使用速度為300700 m·s-1的步槍子彈對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行高速?zèng)_擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的沖擊失效模式為基體開裂、纖維束斷裂和纖維束拔出，其中在子彈沖擊面上的纖維束主要發(fā)生剪切和壓縮斷裂，子彈離開面的纖維束主要發(fā)生拉伸斷裂。HAO等[53]使用LS-DYNA軟件計(jì)算了軸向沖擊下三維編織管狀復(fù)合材料的力學(xué)響應(yīng)和能量吸收行為，討論了能量吸收與編織參數(shù)的關(guān)系。GU[54]建立了三維編織復(fù)合材料靶板的細(xì)觀尺度有限元模型，采用LS-DYNA軟件計(jì)算了高速?zèng)_擊靶板后子彈的剩余速度和吸收能量，研究了靶板的失效模式。ZHANG等[55]考慮了三維編織復(fù)合材料內(nèi)胞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過自定義本構(gòu)模型模擬了三維編織復(fù)合材料的平板橫向沖擊過程。LUAN等[56]進(jìn)行了彈體高速?zèng)_擊三維角鏈鎖復(fù)合材料靶板試驗(yàn)，采用細(xì)觀模型模擬發(fā)現(xiàn)，彈體剛接觸靶板時(shí)，靶板僅發(fā)生基體開裂，纖維受擠壓發(fā)生小變形；彈體逐漸進(jìn)入靶板內(nèi)部時(shí)，靶板發(fā)生剪切和壓縮變形，在厚度方向基體和纖維發(fā)生斷裂；彈體頭部穿出靶板時(shí)，靶板背面出現(xiàn)溶脹變形，纖維拉長(zhǎng)損壞。ZHOU等[57]建立了三維編織復(fù)合材料管道的細(xì)觀有限元模型，模擬了霍普金森壓桿高速橫向沖擊時(shí)管道的變形行為，發(fā)現(xiàn)編織角為15°管道在沖擊區(qū)域中心發(fā)生纖維束損傷，編織角為30°管道在沖擊區(qū)域發(fā)生剪切損傷，編織角為45°管道由于彎曲剛度最大，抗沖擊能力最強(qiáng)，損傷并不嚴(yán)重。ZHOU等[58]采用改進(jìn)的霍普金森壓桿沖擊三維編織工字梁結(jié)構(gòu)，建立了三維編織工字梁的細(xì)觀有限元模型并模擬了沖擊過程。ZHANG等[59]考慮到三維四向和三維五向編織復(fù)合材料中3個(gè)單胞的結(jié)構(gòu)不同，采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)失效強(qiáng)度和應(yīng)變速率的關(guān)系進(jìn)行修正，并用修正后的模型模擬了復(fù)合材料的高速?zèng)_擊損傷過程。楊永齊[60]對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行高速?zèng)_擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈體的入射速度和剩余速度呈線性相關(guān)，彈體離開面的損傷區(qū)域明顯大于彈體沖擊面的。李媛媛[61]開展了三維編織復(fù)合材料沖擊剪切性能的試驗(yàn)研究，建立了復(fù)合材料的細(xì)觀有限元模型，分析了復(fù)合材料沖擊剪切過程的失效機(jī)理和吸收能量。GAO等[62]對(duì)3種編織角(15°，26°，37°)三維編織復(fù)合材料立方塊進(jìn)行了多次沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)15°編織角復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，且沖擊破壞為脆性破壞，26°和37°編織角復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變呈非線性關(guān)系，沖擊破壞為塑性破壞。

目前，在三維四向編織復(fù)合材料高速?zèng)_擊研究中，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的研究較少，如根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)開展的高速?zèng)_擊試驗(yàn)研究未見公開報(bào)道。此外，三維編織復(fù)合材料的高速?zèng)_擊研究主要集中在鋼柱類硬物沖擊方面，關(guān)于鳥體類軟體高速?zèng)_擊的研究仍處于初步階段。

3 結(jié)束語

目前，在三維編織復(fù)合材料細(xì)觀有限元模型的建立和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能尤其是高速?zèng)_擊性能方面已經(jīng)開展了研究。然而，三維編織復(fù)合材料的預(yù)制體由纖維束在空間相互交叉編織而成，空間拓?fù)潢P(guān)系十分復(fù)雜，采用細(xì)觀尺度描述其結(jié)構(gòu)較困難。此外，三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的各向異性增加了理論和試驗(yàn)的研究難度。因此，關(guān)于三維編織復(fù)合材料的研究主要集中在基于唯象理論的力學(xué)試驗(yàn)以及以RVE為基礎(chǔ)的彈性常數(shù)計(jì)算上，而關(guān)于失效準(zhǔn)則、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，尤其是高速?zèng)_擊性能的研究還處于探索階段。未來可從以下幾個(gè)方面開展研究：采用更加合理的纖維束截面來描述實(shí)際的纖維束構(gòu)型；由于三維編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以進(jìn)一步開發(fā)軟件，并結(jié)合無損掃描數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型；測(cè)試組分材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，定量分析應(yīng)變速率效應(yīng)對(duì)組分材料力學(xué)性能的影響；纖維束和基體之間界面的性能與這兩種組分材料不同，因此細(xì)觀有限元模型的建立應(yīng)考慮界面因素；開展三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)研究，為確保試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，三維編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)拉伸試樣需要包含一定數(shù)量的單胞，其厚度較金屬拉伸試樣的大，同時(shí)由于加工損傷問題，不能通過加工螺紋來連接三維編織復(fù)合材料試樣和動(dòng)態(tài)拉伸設(shè)備，因此需要改進(jìn)霍普金森壓桿試驗(yàn)設(shè)備并設(shè)計(jì)合適的拉伸夾具，以便開展三維編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)。