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        三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能分析

        2021-08-13 02:07:50王偉杰李倩倩
        關(guān)鍵詞:蜂窩狀蜂窩編織

        王偉杰,李倩倩,李 煒,2,3

        (1.東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海201620;2.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心,上海201620;3.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201620)

        0 研究背景

        蜂窩結(jié)構(gòu)重量輕、強(qiáng)度高、剛度大,多用作結(jié)構(gòu)尺寸大、強(qiáng)度要求高的結(jié)構(gòu)件。而且蜂窩結(jié)構(gòu)由于孔洞的存在,其吸聲性能優(yōu)良,保溫、隔熱性能好,所以被廣泛地用于建筑、包裝工程、軌道交通等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的蜂窩狀復(fù)合材料大多是分層復(fù)合而成,但這種生產(chǎn)工藝會(huì)造成材料在外力作用下產(chǎn)生分層現(xiàn)象,大大降低了材料的承力能力和使用周期。而蜂窩狀紡織復(fù)合材料因在Z向有纖維增強(qiáng),不存在層間界面,從而消除了分層現(xiàn)象,并且它的壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量都超過(guò)了二維編織物和層壓板[1-3],因此值得深入研究。

        針對(duì)蜂窩狀紡織復(fù)合材料,呂麗華[4]對(duì)蜂窩狀三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能做了有限元分析,其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。崔婧蕊[5]研究了蜂窩狀三維機(jī)織復(fù)合材料不同截面形狀的彎曲性能,發(fā)現(xiàn)六邊形的蜂窩復(fù)合材料性能最佳。Santosh Kumar Sahu[6]等人開(kāi)發(fā)了一種一體化三維間隔緯編針織復(fù)合材料,并且研究不同形狀(三角形和矩形)的中空復(fù)合材料的壓縮性能,結(jié)果表明截面為三角形的中空復(fù)合材料的最大壓縮強(qiáng)力要小于截面為矩形的中空復(fù)合材料。Sanaz Hassanzadeh[7]使用ANSYS14軟件模擬了不同壁厚的尼龍蜂窩芯的平面外準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能,結(jié)果表明1.5mm厚的蜂窩芯的吸能能力最好,抗壓能力最強(qiáng)。盧士艷[8]探討了不同規(guī)格孔徑的蜂窩狀三維機(jī)織復(fù)合材料的隔熱性能,發(fā)現(xiàn)蜂窩孔徑的復(fù)合材料的隔熱性能最佳。Tochukwu[9]利用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)技術(shù)制備了纖維增強(qiáng)蜂窩芯,并建立了失效機(jī)理圖,對(duì)復(fù)合材料夾層板的失效進(jìn)行了預(yù)測(cè)。荊云娟[10]將碳纖維編織網(wǎng)、三維編織面板和聚合物泡沫組裝,形成蜂窩夾芯復(fù)合材料,并研究了材料的力學(xué)性能、體積分?jǐn)?shù)與桁架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Xiaogang Chen[11-12]通過(guò)有限元研究,發(fā)現(xiàn)開(kāi)口角度對(duì)復(fù)合材料的變形和能量吸收有顯著影響。

        由于黃麻纖維可降解,可回收,有利于環(huán)保,在力學(xué)性能方面,堿處理過(guò)的黃麻纖維的比強(qiáng)度與玻璃纖維相當(dāng)[13-16],因此本文采用黃麻制備了具有不同開(kāi)口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,并研究了其壓縮性能。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 原料與設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)原料:編織紗為1250tex的黃麻;上緯(天津)風(fēng)電材料有限公司2511-1A型環(huán)氧樹(shù)脂和2511-1BS型固化劑。

        實(shí)驗(yàn)設(shè)備:實(shí)驗(yàn)室自制三維編織機(jī)、LABSANS LD26電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和Correlated Solutions公司3D—DIC測(cè)量系統(tǒng)。

        1.2 織造與制備

        1.2.1 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的編織

        蜂窩織物采用四步法編織,在編織過(guò)程中,利用紗線(xiàn)的回轉(zhuǎn)原理和控制紗線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)改變紗線(xiàn)的交織狀態(tài),實(shí)現(xiàn)編織體的分合可控[17]。編織一共分為四個(gè)步驟,每個(gè)步驟可以通過(guò)控制四步法編織的循環(huán)個(gè)數(shù),達(dá)到控制各邊邊長(zhǎng)的目的。在編織時(shí),控制攜紗器在編織機(jī)底盤(pán)上的路徑就可以使紗線(xiàn)發(fā)生交織,在打緊作用下編織出蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的預(yù)成型體。下圖1為蜂窩織物的四步編織法示意圖,圖中a、b和c縱條中的紗線(xiàn)在編織時(shí)只參加左右運(yùn)動(dòng),不參加上下運(yùn)動(dòng)。

        圖1 編織過(guò)程紗錠移動(dòng)軌跡圖

        按照以上步驟,六邊形蜂窩織物編織完成,結(jié)合不同的芯模形狀,可以獲得開(kāi)口角度(如圖2所示)為30°、45°和60°的蜂窩狀三維編織物,實(shí)物圖如圖3所示,織物結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

        表1 不同開(kāi)口角度三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        圖2 蜂窩織物的結(jié)構(gòu)示意圖

        圖3 不同開(kāi)口角度的三維蜂窩結(jié)構(gòu)編織物

        1.2.2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備

        采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝制作三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,如圖4所示。

        圖4 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣

        采用密度法測(cè)定纖維體積含量[18],三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纖維體積含量如表2所示。

        表2 三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纖維體積含量

        1.3 性能測(cè)試

        三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的壓縮性能測(cè)試參考GB1454-2005(夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能試驗(yàn)方法)。在LABSANS LD26電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試(測(cè)試和加載方向如圖5所示),測(cè)試速度為2mm/min,同時(shí)利用DIC技術(shù)記錄材料壓縮過(guò)程中的全場(chǎng)應(yīng)變。

        圖5 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試示意圖

        2 測(cè)試與結(jié)果分析

        2.1 壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        圖6是不同開(kāi)口角度蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的壓縮位移曲線(xiàn)。從圖6可知,蜂窩狀三維編織復(fù)合材料的壓縮載荷-位移曲線(xiàn)大致分為三個(gè)階段,如試件8所示,第一個(gè)階段(OA階段):在加載初期,載荷隨著位移的變化呈線(xiàn)性變化,樹(shù)脂與纖維結(jié)合良好,材料處于彈性變形階段,復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的彈性性能。隨著載荷繼續(xù)增加,樹(shù)脂基體開(kāi)始開(kāi)裂,材料表面出現(xiàn)裂紋,此時(shí)可聽(tīng)到細(xì)小的開(kāi)裂聲。隨著載荷進(jìn)一步增大,達(dá)到材料極限承力峰值狀態(tài)。第二階段(AB階段):當(dāng)載荷增大到峰值時(shí),會(huì)出現(xiàn)不同幅度震蕩下降現(xiàn)象,形成無(wú)序且不重復(fù)的壓縮峰。從圖中看到,最大載荷并不是由第一個(gè)變形峰決定,在實(shí)驗(yàn)中曲線(xiàn)到達(dá)每個(gè)峰值后都會(huì)聽(tīng)到非常大的斷裂響聲。與采用相同編織工藝的三維編織復(fù)合材料壓縮載荷-位移曲線(xiàn)[19-21]相比,三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在壓縮平臺(tái)存在許多壓縮峰,這是由于蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮過(guò)程中起到了緩沖作用。第三階段(BC階段):曲線(xiàn)突然下降,復(fù)合材料的主要承力纖維斷裂,伴隨著巨大斷裂聲,材料徹底失效。

        從圖6壓縮載荷-位移曲線(xiàn)可知,不同開(kāi)口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大壓縮載荷不同,開(kāi)口角度為60°的復(fù)合材料的峰值載荷是13152.28N,在三者當(dāng)中最大,其次是開(kāi)口角度45°的載荷8411.3NN居中,載荷最小的是30°的蜂窩7807.19N。這是因?yàn)椴牧系拈_(kāi)口角度不同,導(dǎo)致材料能承受的載荷不同。從受力層面分析,蜂窩材料在受到垂直于加載平面的壓力作用時(shí),主要的承力結(jié)構(gòu)是與壓縮平面有一定角度的呈傾斜狀態(tài)的傾斜壁,所以本文將垂直于平臺(tái)的壓力分解到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁上(如圖7所示)。從圖中可以看出,在施加相同的力的情況下,60°復(fù)合材料的傾斜壁上的分力最大,而30°復(fù)合材料的傾斜壁上的分力最小,而傾斜壁是蜂窩材料的主要承力結(jié)構(gòu),所以開(kāi)口角度小的復(fù)合材料的傾斜壁在壓縮過(guò)程中沒(méi)有發(fā)揮出最大的支撐作用。與之相反的是,指向面內(nèi)的分力,30°復(fù)合材料最大,60°材料最小,分力會(huì)使蜂窩復(fù)合材料的孔壁彎曲(如圖8所示),材料受力越大,彎曲程度越大,變形越大,并且不同開(kāi)口角度的復(fù)合材料的變形空間(如圖9所示)不同,60°蜂窩結(jié)構(gòu)材料的變形空間最大,30°材料最小,在這兩種因素的作用下,具有較小開(kāi)口角度的蜂窩復(fù)合材料的孔壁的彎曲阻力較低,所能承受的壓力較低,載荷也就較小。

        圖6 壓縮載荷-位移曲線(xiàn)圖

        圖7 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力分析圖

        圖8 傾斜壁的受力圖

        圖9 三種蜂窩結(jié)構(gòu)的受力變形圖

        2.2 破壞模式分析

        不同開(kāi)口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí),利用3D-DIC進(jìn)行圖像采集,將兩臺(tái)高速相機(jī)采集的數(shù)字圖像利用VIC-3D軟件進(jìn)行處理,分析試件應(yīng)變分布情況及變化規(guī)律。

        圖10是不同時(shí)刻開(kāi)口角度為60°的三維編織蜂窩復(fù)合材料應(yīng)變圖。13s時(shí),圖10(a)是試樣在線(xiàn)彈性階段的應(yīng)變圖,沒(méi)有明顯的高應(yīng)變區(qū)域。隨著載荷的增加,62s時(shí)高應(yīng)變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端,此時(shí)材料表面的應(yīng)變也突然增加(如圖11所示)。66s時(shí)高應(yīng)變擴(kuò)散到蜂窩結(jié)構(gòu)的傾斜壁,此時(shí)復(fù)合材料的載荷達(dá)到峰值。80s時(shí)非傾斜壁上出現(xiàn)裂紋,應(yīng)變突然增大,復(fù)合材料失效。

        圖10 60°試件壓縮過(guò)程中應(yīng)變圖

        圖11 60°試件應(yīng)變-時(shí)間圖

        圖12 是不同時(shí)刻開(kāi)口角度為60°的三維編織蜂窩復(fù)合材料應(yīng)變圖。圖12(a)是加載初期試件應(yīng)變圖。14s時(shí)圖像顯示,加載初期沒(méi)有明顯的高應(yīng)變區(qū)域。如圖12(b)所示,92s時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)明顯裂紋,此時(shí)應(yīng)變突然增大(如圖13所示)。隨著材料變形量的增加,蜂窩結(jié)構(gòu)的非傾斜壁上也出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)域。圖12(d)顯示了151s卸載荷載時(shí)的應(yīng)變場(chǎng)。此時(shí),高應(yīng)變區(qū)域出現(xiàn)在試樣的自由端以及加載端的頂部和底部。雖然此時(shí)損傷分布較為離散,但試樣頂部出現(xiàn)裂紋,導(dǎo)致復(fù)合材料失效。

        圖12 45°試件壓縮過(guò)程中應(yīng)變圖

        圖13 45°試件應(yīng)變-時(shí)間圖

        圖14 分別為開(kāi)口角度為30°試件在不同時(shí)刻的應(yīng)變圖,圖14(a)為試件加載前期全場(chǎng)應(yīng)變圖,11s時(shí)復(fù)合材料處于線(xiàn)彈性階段。62s時(shí)試件表面出現(xiàn)明顯的高應(yīng)變區(qū)域,且在出現(xiàn)高應(yīng)變的地方出現(xiàn)明顯的裂紋(如圖14(b)所示)。在這些裂紋出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi),應(yīng)變也發(fā)生了驟增或驟減(如圖15示)。與前面的材料破壞階段相一致,高應(yīng)變區(qū)集中出現(xiàn)在復(fù)合材料的自由端和傾斜壁處,但與60°和45°的試件不同的是,30°試件的高應(yīng)變區(qū)域首先出現(xiàn)在蜂窩結(jié)構(gòu)非傾斜壁處,因?yàn)閮A斜壁是主要承力結(jié)構(gòu),而30°的試件在壓縮過(guò)程中,其首先斷裂的是非傾斜壁,在后續(xù)的進(jìn)程中,其傾斜壁并沒(méi)有發(fā)揮出最大的承力能力,復(fù)合材料已發(fā)生斷裂失效,這也就是30°試件載荷峰值明顯低于其他兩種試件的原因,與上文在受力層面的分析一致。

        圖14 30°試件壓縮過(guò)程中應(yīng)變圖

        圖15 30°試件應(yīng)變-時(shí)間圖

        3 結(jié)論

        使用VARTM工藝制備了不同開(kāi)口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料,在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行壓縮試驗(yàn),并結(jié)合3D-DIC技術(shù)分析三維編織復(fù)合材料損傷演變過(guò)程。

        (1)三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮曲線(xiàn)在壓縮平臺(tái)區(qū)有大量的不規(guī)則且不重復(fù)的壓縮峰,且最大載荷并不是由第一個(gè)變形峰決定,蜂窩結(jié)構(gòu)提供了緩沖作用,使得復(fù)合材料抗壓能力得到提高。

        (2)不同開(kāi)口角度三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料壓縮載荷最大值相差較大。60°開(kāi)口角度載荷明顯高于30°和45°的復(fù)合材料。

        (3)不同開(kāi)口角度的三維編織蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在壓縮過(guò)程中破壞模式大致相同,破壞過(guò)程可分為三個(gè)階段。

        第一階段:隨著載荷的增加,復(fù)合材料表面的樹(shù)脂基體開(kāi)裂,裂紋逐漸向纖維內(nèi)部延伸,且首先出現(xiàn)在材料的自由端。這是因?yàn)樵趬嚎s過(guò)程中,傾斜壁在材料端部周?chē)l(fā)生彎曲變形,隨著變形量的增大,表面出現(xiàn)應(yīng)力分布不均現(xiàn)象,接頭處出現(xiàn)應(yīng)力集中,且材料自由端的長(zhǎng)度較短,因此最先受到破壞。

        第二階段:蜂窩結(jié)構(gòu)的自由端出現(xiàn)裂紋后,傾斜壁隨著載荷的增加也受到了破壞,這些區(qū)域的應(yīng)變也在急劇增加。原因是載荷增大,傾斜壁的彎曲度增加,向內(nèi)收縮,但復(fù)合材料的彈性性能有限,到達(dá)收縮極限時(shí),傾斜壁破壞。

        第三階段:載荷繼續(xù)增大,復(fù)合材料整體的彎曲度增大,六角形蜂窩的傾斜壁向內(nèi)收縮,在連接點(diǎn)處產(chǎn)生拉力。拉力通過(guò)連接點(diǎn)傳遞到蜂窩的非傾斜壁上,導(dǎo)致非傾斜壁向內(nèi)彎曲運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生裂紋。

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