劉璐璐, 謝志浩, 趙振華, 羅 剛, 陳 偉

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016; 2. 南京航空航天大學(xué) 航空航天結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016 )

剪切增稠液(shear thickening fluid, STF)是一種呈濃縮膠質(zhì)懸浮液狀態(tài)的非牛頓流體,又稱“智能液體裝甲”材料[1-2]。在一般穩(wěn)態(tài)狀況下,STF呈現(xiàn)出具有一定黏度的流體性質(zhì),而當(dāng)剪切速率或施加的外力增加時(shí),其黏度也會(huì)隨之增加,表現(xiàn)出剪切增稠行為,局部還會(huì)出現(xiàn)由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變(即發(fā)生了固態(tài)轉(zhuǎn)變),從而提高了其抵抗外載沖擊的能力[3-4]。剪切增稠過程通常為可逆過程,在剪切速率降低時(shí),組分的黏度也會(huì)降低。剪切增稠液在沖擊與振動(dòng)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注[5-7],可應(yīng)用于人體防護(hù)系統(tǒng)[8-9]、緩沖器、減振器[10-11]、空間碎片防護(hù)領(lǐng)域等。

過去十年,STF已被廣泛用于Kevlar、Twaron、Dyneema等高性能織物中復(fù)合得到防刺和防彈效果優(yōu)良的輕質(zhì)材料體系[12-13],在相同的防護(hù)效果下可減少織物層數(shù),減輕防護(hù)裝備質(zhì)量。

本文對(duì)近年來剪切增稠液及其復(fù)合織物動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與數(shù)值仿真方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié), 對(duì)剪切增稠液的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望,并指出當(dāng)前存在的一些問題,為進(jìn)一步深入開展剪切增稠技術(shù)研究提供一定的理論指導(dǎo)。

1 剪切增稠機(jī)理及流變特性影響因素

1.1 剪切增稠機(jī)理

剪切增稠液作為一種非牛頓流體,其流變行為復(fù)雜多變。關(guān)于剪切增稠機(jī)理,Hoffman[14]在1972年提出了有序-無序理論,指出高于臨界剪切速率時(shí),分層的粒子變得無序,由有序到無序的變化引起了黏度的劇烈變化[15]。Bossiss等[16]則認(rèn)為粒子簇是導(dǎo)致剪切增稠的原因,暨 “粒子簇”理論,如圖1所示,該理論被大量試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證[17-18],可以很好地解釋連續(xù)性剪切增稠體系。

圖1 剪切增稠機(jī)理(粒子簇理論)

針對(duì)高濃度的非連續(xù)剪切增稠體系[19],最近研究者提出了“堵塞”理論[20],認(rèn)為在高剪切速率下在有限空間內(nèi)更多粒子相互接觸,導(dǎo)致流體堵塞[21],使流動(dòng)阻尼急劇增加。Seto等[22]認(rèn)為粒子間摩擦力是導(dǎo)致堵塞的關(guān)鍵因素,該觀點(diǎn)也被分子動(dòng)力學(xué)仿真所證實(shí)[23-24]。

1.2 STF流變特性及其影響因素

STF的流變特性普遍使用流變儀進(jìn)行研究,通常使用臨界剪切速率、增稠率、增稠周期等參數(shù)進(jìn)行描述。STF的流變特性主要受到懸浮液組成的影響,STF一般由分散介質(zhì)和分散相顆粒組成。相同種分散相粒子的粒徑越大[25]、體積分?jǐn)?shù)越大[26],則STF的臨界剪切速率越小,同時(shí)其最大黏度也會(huì)隨之增加;Wei等[27]使用球形和不規(guī)則形狀的二氧化硅顆粒分散到聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)中設(shè)計(jì)了兩種 STF。流變學(xué)結(jié)果表明,在不規(guī)則形狀的二氧化硅基 STF 中,剪切增稠可以在較低的剪切速率下發(fā)生;然而,球形二氧化硅基STF的增稠范圍更廣,同時(shí)發(fā)現(xiàn)使用球形二氧化硅形成的STF對(duì)Kevlar的彈道性能增強(qiáng)作用更強(qiáng)。Kalman等[28]使用粒徑相近的較硬的二氧化硅顆粒和較軟的聚甲基丙烯酸甲酯顆粒制備了兩種STF,流變性能測(cè)試表明聚甲基丙烯酸甲酯顆粒形成的STF越早發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象且黏度更大。Qin等[29]研究了不同分子量 PEG 形成的 STF 的剪切增稠行為。所有 STF 均顯示出剪切增稠行為,隨著PEG分子量的增加,臨界剪切速率略有下降,臨界剪切黏度增加,剪切增稠區(qū)黏度增加。

STF的流變性能除了受到其自身的組分的性質(zhì)影響之外,還受到外部環(huán)境場(chǎng)的顯著影響,其中最典型的外部場(chǎng)為溫度場(chǎng)。由于顆粒與液體之間的氫鍵結(jié)合強(qiáng)度在高溫下下降,因此懸浮液的黏度隨著溫度的升高而降低。此外,高溫下顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),增稠結(jié)構(gòu)由于高溫被擾亂[30]。一方面表現(xiàn)為高溫使得臨界剪切速率滯后[31],這是由于在溫度升高時(shí),粒子間排斥力增加,使得粒子簇的形成需要更高的剪切速率[32-33];另一方面,隨著溫度的增加,增稠周期變長(zhǎng)、增稠比降低[34]。程倩倩[35]發(fā)現(xiàn)在5～35 ℃內(nèi)STF均表現(xiàn)出明顯的剪切增稠現(xiàn)象(如圖2所示),且溫度越低,臨界剪切速率越低最高黏度值越高。由以上分析可知,STF的流變特性受到溫度的影響較大,而其在應(yīng)用時(shí)通常處于變化的溫度范圍,如人體防護(hù)領(lǐng)域至少應(yīng)考慮-30°～40°的溫度范圍,航空或航天領(lǐng)域服役時(shí),需考慮更寬的服役環(huán)境溫度范圍。因此揭示服役環(huán)境溫度范圍內(nèi)STF力學(xué)行為,保障服役周期內(nèi)的防護(hù)作用是剪切增稠液應(yīng)用的一大挑戰(zhàn),也是未來應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

圖2 不同溫度下懸浮液黏度隨剪切速率變化關(guān)系

2 STF動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及本構(gòu)模型

2.1 STF動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

考慮到彈道沖擊、風(fēng)扇葉片丟失等沖擊領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)STF動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及本構(gòu)模型的研究就顯得至關(guān)重要。

在沖擊載荷條件下STF會(huì)由于沖擊引發(fā)增稠,出現(xiàn)明顯的液-固轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,并表現(xiàn)出非線性力學(xué)響應(yīng)。沖擊載荷下STF固態(tài)轉(zhuǎn)變行為是Waitukaitis等[36]提出的理論,如圖3所示,當(dāng)沖擊桿接觸到液面時(shí),接觸面下的流體在沖擊作用下擠壓流動(dòng),固體粒子會(huì)相互接觸,在沖擊桿下形成一條“固態(tài)”的粒子簇阻塞體,這為進(jìn)一步揭示STF復(fù)合織物抗沖擊性能增強(qiáng)的原因提供了新的研究視角。一方面,STF復(fù)合織物在不同速率拉伸、壓縮及剪切載荷以及沖擊載荷作用下,附著在紗線表面及間隙中的STF在高應(yīng)變率載荷下發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變,進(jìn)而影響織物的紗間摩擦特性、力學(xué)響應(yīng)及其抗沖擊性能;另一方面,STF作為影響STF復(fù)合織物抗沖擊性能的關(guān)鍵因素,很大程度上還受到服役環(huán)境溫度影響[37],其固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制和影響規(guī)律更加復(fù)雜。因此,引入寬服役環(huán)境溫度的需求,更細(xì)致地研究溫度對(duì)STF固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)織的影響,揭示STF固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制對(duì)織物紗線間摩擦作用和STF復(fù)合織物抗沖擊性能之間的關(guān)聯(lián),有望從本質(zhì)上揭示STF復(fù)合織物抗沖擊性能增強(qiáng)的主導(dǎo)因素和作用機(jī)制,闡明STF復(fù)合織物抗沖擊性能增強(qiáng)機(jī)理。

圖3 沖擊載荷下STF的固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制

在低應(yīng)變率下,往往采用落錘裝置[38-41]開展沖擊試驗(yàn)。Cheng等[42]研究了不同沖擊物形狀對(duì)于STF的能量吸收的影響,發(fā)現(xiàn)平頭沖擊物可以獲得更高的沖擊能量,但是其最大穿透深度比錐形沖積物更小;Fu等[43]使用同樣的方法對(duì)不同溫度下的STF開展了低速?zèng)_擊試驗(yàn),結(jié)果表明STF的抗沖擊性能隨著溫度的降低而升高。

在高應(yīng)變率范圍(>103s-1)下,通常采用分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗(yàn)裝置研究STF沖擊壓縮性能[44-45]。Lim等[46-47]討論了SHPB數(shù)據(jù)分析對(duì)于流體試樣的適用性,提出了有效SHPB試驗(yàn)的試驗(yàn)件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;Jiang等[48]發(fā)現(xiàn)STF的透射能量明顯減小,STF的增稠轉(zhuǎn)換造成了能量耗散;Asija等[49-50]捕捉了高應(yīng)變率(105～107s-1)下STF的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,從應(yīng)力-應(yīng)變行為和沖擊韌性隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律方面開展了分析,從沖擊韌性、沖擊載荷下的峰值應(yīng)力等方面研究了STF的抗沖擊能力;Tan等[51]研究了石墨烯添加物對(duì)STF高應(yīng)變率力學(xué)行為的影響;Fu等[52]在SHPB試驗(yàn)中使用高速攝影機(jī),確定了高應(yīng)變率下STF的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,獲得了STF液體向固體轉(zhuǎn)變的應(yīng)變率,并首次獲得了固態(tài)STF的模量;Lim等[53]基于SHPB試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的STF在高應(yīng)變率壓縮過程中表現(xiàn)出的黏性-黏彈性-塑性變形特征(如圖4所示)以及應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變率響應(yīng),提出了一種可以精確描述STF力學(xué)響應(yīng)的唯象模型。

圖4 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)獲得的STF的應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變率響應(yīng)

2.2 STF動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型

(1)

Galindo-Rosales等[55]基于Cross模型[56],提出了剪切增稠流體的分段表觀黏度函數(shù)[57],考慮了STF通常表現(xiàn)出的3個(gè)特征區(qū)域:低剪切速率下的輕微剪切變稀,隨后超過臨界剪切速率后黏度急劇增加,最后在高剪切速率下出現(xiàn)明顯的剪切變稀區(qū)域,如式(2)所示

(2)

式中:η0為STF的初始黏度;ηc為臨界剪切速率對(duì)應(yīng)黏度;ηmax為剪切增稠后的最大黏度;γc為臨界剪切速率;γmax為最大黏度對(duì)應(yīng)剪切速率;mi(i=1,2,3)和ni(i=1,2,3)為擬合常數(shù)。該函數(shù)具有連續(xù)導(dǎo)數(shù),適合于數(shù)值模擬[58]。

齊佩佩[59]提出一種完全依賴于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的輸出進(jìn)行擬合的黏度函數(shù)模型,如式(3)所示

(3)

由以上研究可知,目前STF動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型與黏度函數(shù)方面尚缺乏有效的方法,同時(shí)考慮到構(gòu)件服役環(huán)境溫度的可變性,在STF動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型及黏度函數(shù)中如何考慮環(huán)境溫度的影響是需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

3 STF復(fù)合織物動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及本構(gòu)模型研究

盡管已有部分STF動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與本構(gòu)模型的研究,STF增強(qiáng)織物在高應(yīng)變率下力學(xué)行為和本構(gòu)模的研究相對(duì)較少。Asija等[60-61]使用SHPB試驗(yàn)裝置研究了STF復(fù)合織物的高應(yīng)變率力學(xué)行為,發(fā)現(xiàn)STF主要作用表現(xiàn)為更高的峰值應(yīng)力、應(yīng)變率和沖擊韌性;當(dāng)層間的STF保持為液體時(shí),復(fù)合材料表現(xiàn)出性能降低,反之,則表現(xiàn)出性能增強(qiáng)。Lomakin等[62]基于SHPB試驗(yàn)確定了STF的動(dòng)態(tài)壓縮和剪切性能,發(fā)現(xiàn)STF和Kevlar織物的接觸對(duì)于增加能量吸收特性起到關(guān)鍵作用,該接觸狀態(tài)可以使用黏滯摩擦定律描述。Cao等[63]使用SHPB系統(tǒng)開展了STF-Kevlar織物和Kevlar/STF/STG復(fù)合織物[64]在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究,分析了STF/Kevlar織物的應(yīng)變率硬化效應(yīng),發(fā)現(xiàn)STF主要作用在滑移和變形階段,通過增強(qiáng)織物紗線的摩擦效應(yīng),阻止紗線的滑移而起作用。以上研究均聚焦于STF-Kevlar織物的動(dòng)態(tài)壓縮特性。

STF增強(qiáng)織物在實(shí)際的彈道沖擊事件中主要承受的是拉伸載荷,目前的研究中大多是把STF增強(qiáng)織物紗線的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲得的拉伸楊氏模量和極限強(qiáng)度作為復(fù)合織物的本構(gòu)模型,這種本構(gòu)模型雖然在預(yù)測(cè)復(fù)合織物的彈道性能方面具有一定效果,但其并沒有考慮紗線在動(dòng)態(tài)拉伸情況下楊氏模量和極限強(qiáng)度的變化。Liu等[65-66]針對(duì)STF-Kevlar織物開展了基于分離式霍普金森拉桿(split Hopkinson tensile bar, SHTB)試驗(yàn)方法的STF-Kevlar織物單纖維束的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),掌握了STF對(duì)纖維束的彈性模量、應(yīng)力極限與失效應(yīng)變的影響規(guī)律。此外,Liu等[67]還針對(duì)STF-Kevlar織物開展了基于SHTB裝置的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn),結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn),掌握了中高應(yīng)變率下織物的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,并擬合的應(yīng)變率參數(shù)。

由以上研究可知,目前僅有少量學(xué)者開展了STF復(fù)合織物在高應(yīng)變率下力學(xué)行為與動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的研究,同時(shí)在這些研究中均未考慮或忽略了環(huán)境因素的影響。

4 STF復(fù)合織物的抗沖擊性能

4.1 STF復(fù)合織物抗沖擊性能的關(guān)鍵影響因素

對(duì)STF復(fù)合織物的抗沖擊性能相關(guān)工作是以關(guān)鍵影響因素的研究為主,目前認(rèn)為STF復(fù)合織物抗沖擊性能的影響因素主要包括3個(gè)方面:

(1)STF的組成及其流變特性[68-69],主要包括顆粒尺寸[70]、顆粒形狀、顆粒處理工藝[71]、納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)[72-73]、溫度和分散介質(zhì)[74]。Afeshejani等[75]研究了純STF的能量吸收特性,發(fā)現(xiàn)在當(dāng)沖擊速度接近臨界剪切速率時(shí),能量吸收性能最好。Liu 等[76]開展了具有明顯流變性能差異的STF增強(qiáng)Kevlar織物的高速?zèng)_擊試驗(yàn),提出當(dāng)沖擊工況的剪切速率接近其剪切增稠區(qū)間時(shí),可以起到較好的增強(qiáng)效果。Liu等[77]發(fā)現(xiàn)加入碳納米管、石墨烯等第三相,形成多分散相STF時(shí),對(duì)提高織物抗沖擊性能有更好的效果。

(2)織物浸漬STF過程的工藝過程及參數(shù)。Majumdar等[78-79]研究了浸軋壓力對(duì)沖擊能量吸收的影響,提出了一種新的兩段式STF順序浸漬方法,相比于一段式浸漬方法可以提高24.4%的能量吸收。

(3)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)和纖維類型,包括織物密度、沖擊位置[80]、織物組織結(jié)構(gòu)[81]、紗線線密度[82]、鋪層角度[83]和縫合。通常高機(jī)織密度和多層織物可以優(yōu)化STF復(fù)合織物的抗沖擊能力。

4.2 STF對(duì)織物抗沖擊性能的增強(qiáng)機(jī)理

STF對(duì)于織物抗沖擊性能的增強(qiáng)機(jī)理是相關(guān)研究中關(guān)注的核心問題。目前普遍認(rèn)為STF增強(qiáng)了織物紗線間摩擦作用,使得織物像整體結(jié)構(gòu),更多紗線參與承載,從而增強(qiáng)了織物的抗沖擊性能。而最新觀點(diǎn)[84]則認(rèn)為STF剪切增稠行為對(duì)于織物抗沖擊性能的增強(qiáng)起到?jīng)Q定性作用;這一觀點(diǎn)與傳統(tǒng)的認(rèn)知存在較大的差異,雖有試驗(yàn)論據(jù),但其研究未能進(jìn)一步從本質(zhì)上闡明STF剪切增稠行為對(duì)織物抗沖擊性能增強(qiáng)的作用機(jī)制。

STF對(duì)織物抗沖擊性能的增強(qiáng)機(jī)理被認(rèn)為相關(guān)研究的關(guān)鍵問題。紗線間摩擦作用的增加一直被認(rèn)為在STF復(fù)合織物的沖擊事件中起到主要作用[85-86]。增強(qiáng)的紗線間摩擦可以使得織物像整體結(jié)構(gòu)一樣響應(yīng),使得織物可以充分參與沖擊載荷承受和能量吸收[87]。

織物紗間摩擦行為廣泛采用單根紗線的拔出試驗(yàn)進(jìn)行表征[88-90](如圖5所示)。紗線拔出試驗(yàn)結(jié)果表明,STF處理織物有最高的拔出力,大概是純織物的3倍[91]。Chu等[92]的研究發(fā)現(xiàn),在使用STF處理后,織物的紗線間摩擦因數(shù)相比純織物提高超過54%。Talreja等[93]發(fā)現(xiàn)由于STF在織物中的分布特性,STF擁有更大的紗線拔出力和更好的沖擊能量吸收特性。Liu等[65]揭示了STF的流變特性對(duì)STF-Kevlar織物動(dòng)態(tài)拉伸特性和紗間摩擦特性的影響機(jī)制,獲得了STF-Kevlar織物的高速?zèng)_擊破壞特征與能量吸收機(jī)理,但未能進(jìn)一步闡明沖擊載荷作用下STF固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制對(duì)織物抗沖擊性能的增強(qiáng)機(jī)理是何種因素起主導(dǎo)作用。

圖5 紗線拔出試驗(yàn)原理及典型結(jié)果

織物的像框剪切試驗(yàn)是一種使用像框夾具,研究織物剪切力與剪切角度關(guān)系的試驗(yàn)方法,如圖6所示[94],由于織物剪切變形過程中,主要受到紗間摩擦特性的影響,因此織物剪切力學(xué)行為也可作為紗間摩擦特性的表征[95]。Na等[96]在織物水平上開展了STF復(fù)合織物的像框剪切試驗(yàn),研究了STF復(fù)合織物的率相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)STF復(fù)合織物的剪切剛度具有率敏感性。Liu等發(fā)現(xiàn)多分散相STF-Kevlar織物的剪切剛度遠(yuǎn)大于純Kevlar織物,STF的剪切增稠行為和固態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)于剪切率敏感性起主要作用。

圖6 織物像框剪切試驗(yàn)方法

在紗線摩擦特性之外,STF的內(nèi)在剪切增稠行為是否起到?jīng)Q定性作用一直是學(xué)術(shù)界存在不同觀點(diǎn)的問題。2019年Mawkhlieng等[84]研究了單分散相和雙分散相STF,發(fā)現(xiàn)盡管紗線拔出力并沒有明顯區(qū)別,使用單分散相STF處理的織物在低速?zèng)_擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出增強(qiáng)的性能。該研究確定了STF的剪切增稠效應(yīng)對(duì)于增強(qiáng)效果的主導(dǎo)作用,但尚未揭示STF復(fù)合織物抗沖擊性能增強(qiáng)的作用機(jī)制。此外,以上針對(duì)STF復(fù)合織物的抗沖擊性能的研究中,均未考慮或忽略了外部環(huán)境溫度的影響。

關(guān)于環(huán)境溫度影響的研究,近兩年有少數(shù)學(xué)者針對(duì)溫度對(duì)紗間摩擦特性影響開展了工作。Wang等開展了-15～35 ℃內(nèi)對(duì)STF復(fù)合織物的紗間摩擦特性影響的研究;Li 等[97]在20～50 ℃內(nèi)開展了STF-Kevlar織物的紗線拔出試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)具有更多羥基和更長(zhǎng)分子鏈的STF可以降低溫度提高的負(fù)面作用;Qin等[98]發(fā)現(xiàn)隨著溫度從50 ℃降低到-50 ℃,STF最大黏度增加,且纖維之間的摩擦力增強(qiáng)。

Xie等[99]考慮了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的工作溫度,研究了-50～100 ℃內(nèi)STF流變特性、STF浸漬Kevlar織物的像框剪切性能與抗沖擊性能,結(jié)果表明,溫度對(duì)STF 的流變性能有顯著影響,特別是在低溫環(huán)境下,STF 的黏度極大,臨界剪切速率極小;與室溫(20 ℃)相比,織物在高溫和低溫下的剪切性能和抗沖擊性能均有所下降;在-50 ℃和100 ℃的溫度下,彈道極限速度分別下降到室溫時(shí)的 62.6%和84.2%。

由以上研究可知,環(huán)境溫度對(duì)紗間摩擦特性和抗沖擊性能具有顯著影響,但目前影響規(guī)律及機(jī)理尚不清楚,需要進(jìn)一步開展深入研究。

5 STF增強(qiáng)織物抗沖擊性能的數(shù)值分析方法研究

近年來的研究中,數(shù)值仿真方法已經(jīng)被應(yīng)用于評(píng)估織物的抗沖擊性能,并且被延伸至STF復(fù)合織物領(lǐng)域[100-101]。

5.1 細(xì)觀有限元分析方法

目前開展的數(shù)值仿真研究大多是基于織物的細(xì)觀有限元模型,將STF的作用簡(jiǎn)化為對(duì)織物紗間摩擦特性的增加[102-103]。Gürgen等[104]通過引入試驗(yàn)獲得的摩擦效應(yīng),發(fā)展了STF復(fù)合織物的細(xì)觀有限元仿真模型(如圖7所示),與試驗(yàn)結(jié)果相比,在靶板變形、彈體殘余速度等方面都取得了良好的吻合性;Khodadadi等[105]的數(shù)值仿真分析也證明了STF-Kevlar織物摩擦作用的增加,可以限制了織物在受到?jīng)_擊時(shí)紗線的移動(dòng)[106],從而導(dǎo)致了其抗沖擊性能的增加。Kordani 等[107]開展了紗線拔出試驗(yàn)和單根紗線拉伸試驗(yàn),確定了紗間摩擦因數(shù)和單根纖維的力學(xué)性能,并用于顯式動(dòng)力學(xué)模型中。Liu等[65]改進(jìn)了上述細(xì)觀有限元方法,認(rèn)為STF造成的影響一方面改變了紗間摩擦特性,另一方面紗線內(nèi)STF也會(huì)改變纖維束的力學(xué)行為,并基于纖維束的準(zhǔn)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行描述。

圖7 STF復(fù)合織物高速?zèng)_擊細(xì)觀有限元模型

Park等[108]針對(duì)STF-Kevlar織物高速?zèng)_擊的數(shù)值仿真研究則發(fā)現(xiàn)能量吸收與沖擊速度的關(guān)系具有相反的趨勢(shì),表明將STF的作用簡(jiǎn)化為摩擦特性影響的假設(shè)并不足以充分解釋STF復(fù)合織物抗沖擊性能的影響機(jī)制。Mawkhlieng等也揭示了STF的剪切增稠效應(yīng)是影響STF復(fù)合織物高速?zèng)_擊特性的重要因素,因此以上僅考慮STF對(duì)紗間摩擦特性影響的數(shù)值仿真方法無法有效揭示STF對(duì)織物的作用機(jī)理。此外,上述研究對(duì)紗間摩擦特性的描述,還是采用傳統(tǒng)的庫倫摩擦定律,僅以常數(shù)形式的靜/動(dòng)摩擦因數(shù),或不同階段采用不同的摩擦因數(shù)開展仿真研究。而實(shí)際上,由于STF獨(dú)特的增稠效應(yīng),STF增強(qiáng)織物的紗間摩擦特隨STF載荷速率而變化,且受到STF流變特性與固態(tài)轉(zhuǎn)變行為的影響,亟需結(jié)合STF流變模型與參數(shù)建立速率相關(guān)的動(dòng)態(tài)摩擦本構(gòu)關(guān)系。

5.2 宏觀有限元分析方法

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)對(duì)纖維織物進(jìn)行的準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和彈道沖擊試驗(yàn),斯坦福研究所(SRI)總結(jié)并提出了纖維織物的宏觀連續(xù)模型。Rajan等[109]開發(fā)并改進(jìn)了該數(shù)值模型,該模型作為第214號(hào)材料模型*MAT_DRY_FABRIC被納入LS-DYNA。宏觀模型將織物簡(jiǎn)化為正交各向異性連續(xù)體模型,通過單軸拉伸試驗(yàn)表征織物的破壞模式同時(shí)該模型在彈道沖擊數(shù)值模擬中精度高,計(jì)算成本低?；谏鲜龅暮暧^模型,Liu等[110]首次開展了多分散相STF-Kevlar織物的抗沖擊性能數(shù)值仿真分析。以織物力學(xué)性能的研究為基礎(chǔ),對(duì)純Kevlar及多分散相STF-Kevlar織物準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及像框剪切試驗(yàn)分別進(jìn)行分段線性擬合,基于動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)擬合應(yīng)變率參數(shù),構(gòu)建了織物的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)合空氣炮打靶進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證(如圖8所示),并開展了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明仿真沖擊過程及能量變化與試驗(yàn)較吻合。該方法可以綜合考慮STF對(duì)織物宏觀力學(xué)行為的影響,適用于工程應(yīng)用。

圖8 STF-Kevlar織物的宏觀數(shù)值仿真預(yù)測(cè)與試驗(yàn)對(duì)比

5.3 流固耦合分析方法

STF復(fù)合織物的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)響應(yīng)主要來源于STF獨(dú)特的剪切增稠現(xiàn)象及相變行為,因此將STF視為流體(歐拉網(wǎng)格),織物視為固體(拉格朗日網(wǎng)格)的流固耦合分析方法在近年來開始受到關(guān)注。Rabb等[111]針對(duì)STF復(fù)合織物發(fā)展了一種混合顆粒-單元的計(jì)算方法,能夠捕捉了復(fù)雜多層織物的動(dòng)力學(xué)特性。在顯式動(dòng)力學(xué)仿真中,流體的本構(gòu)模型結(jié)合狀態(tài)方程來描述其在變形過程中的力學(xué)特性,Petel[112]通過單軸動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)的方法獲得了STF的狀態(tài)方程描述參數(shù),這為后續(xù)的研究者們進(jìn)行STF浸漬織物的流固耦合分析提供了可能。Lu等[113]基于經(jīng)編間隔織物細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu),建立了STF增強(qiáng)織物的有限元模型,其中STF使用歐拉網(wǎng)格創(chuàng)建,使用分段線性的指數(shù)模型描述其流體黏性,發(fā)現(xiàn)STF與纖維束間的耦合效應(yīng)是復(fù)合材料緩沖行為的關(guān)鍵影響因素。Sen等[114]使用ABAQUS軟件中的任意歐拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange,CEL)算法(如圖9所示)來研究STF-Kevlar織物的彈道沖擊特性,將STF的黏度設(shè)定為恒定的常數(shù),分析了沖擊響應(yīng)和STF特性的關(guān)系;李聃陽[115]基于ABAQUS中的CEL方法對(duì)STF-Kevlar的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺進(jìn)行了數(shù)值仿真,并發(fā)現(xiàn)流固耦合模型的數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Zhang等[116]在ANSYS/LS-DYNA中基于ALE算法建立了STF浸漬聚乙烯纖維復(fù)合材料的數(shù)值模型,并從能量吸收的角度進(jìn)行了驗(yàn)證。以上分析可知,基于流固耦合模型的STF復(fù)合織物的數(shù)值仿真方法具有可以精確描述STF力學(xué)響應(yīng)、揭示STF增強(qiáng)機(jī)理的優(yōu)點(diǎn),具有較好的應(yīng)用前景,但目前對(duì)于該種數(shù)值仿真方法的研究還處于起步階段,同時(shí)上述數(shù)值仿真方法均未考慮STF-Kevlar織物服役環(huán)境溫度的影響。

圖9 歐拉-拉格朗日耦合方法分析步驟

6 結(jié) 論

綜上所述,STF及其復(fù)合織物的力學(xué)行為與數(shù)值仿真方法已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。未來面臨的主要挑戰(zhàn)包括:

(1) STF獨(dú)特的剪切增稠機(jī)制是其增強(qiáng)織物抗沖擊性能的關(guān)鍵因素,因此進(jìn)一步明晰STF固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制對(duì)STF動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型、紗間摩擦本構(gòu)模型及STF-Kevlar織物抗沖擊能力增強(qiáng)機(jī)理的影響是進(jìn)一步揭示STF復(fù)合織物抗沖擊性能增強(qiáng)機(jī)理需攻克的瓶頸問題。

(2)由于STF的流變特性受環(huán)境溫度的影響十分明顯,因此在傳統(tǒng)STF增強(qiáng)織物抗沖擊性能的研究基礎(chǔ)上考慮環(huán)境溫度影響所帶來的復(fù)雜性,聚焦環(huán)境溫度影響下STF的固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制,并進(jìn)一步揭示寬服役環(huán)境溫度下STF對(duì)STF-Kevlar織物抗沖擊性能的增強(qiáng)機(jī)理,探究寬服役環(huán)境溫度下STF-Kevlar織物抗沖擊性能的表現(xiàn)和適用性將使得這一問題的研究成為一項(xiàng)極具的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的工作。

(3)在數(shù)值分析方法方面,在進(jìn)一步明晰STF固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制的基礎(chǔ)上,結(jié)合精確的STF動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型和考慮固態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制的紗間摩擦本構(gòu)模型,發(fā)展出STF-Kevlar織物抗沖擊理論和高精度流固耦合數(shù)值分析方法,為其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),并提供分析手段和方法。