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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-10-08 14:39
三維編織復(fù)合材料因內(nèi)部存在由連續(xù)纖維束形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)層合復(fù)合材料具有更高的層間強度，相比于金屬材料具有更高的抗沖擊損傷和抗裂紋擴展能力。詳細介紹了三維編織復(fù)合材料的細觀幾何建模方法，綜述了三維編織復(fù)合材料動態(tài)拉伸、壓縮性能，動態(tài)失效準則以及高速沖擊性能等方面的研究進展，指出三維編織復(fù)合材料在細觀幾何建模和動態(tài)拉伸試驗方面的未來研究方向。
1 細觀幾何模型
材料幾何模型的合理性是保證后續(xù)理論和數(shù)值分析準確度的一個重要因素。與結(jié)構(gòu)簡單的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、二維機織或編織復(fù)合材料和三維機織復(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坐標，再通過合適的軟件建立細觀結(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)計算機斷層(CT)掃描或X射線技術(shù)對內(nèi)部纖維束的分布和走向進行觀察，建立具有代表性的復(fù)合材料局部結(jié)構(gòu)幾何模型。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。(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過程，獲取纖維束運動軌跡的空間坐標點，把所有坐標點導(dǎo)入到計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件中進行整體三維編織結(jié)構(gòu)的三維可視化實體建模。
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以及試驗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、強度和疲勞性能的研究，并將研究結(jié)果擴展，用擴展后的結(jié)果代表整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。
2 動態(tài)力學(xué)性能
根據(jù)聯(lián)邦航空條例和《航空發(fā)動機適航規(guī)定》，航空發(fā)動機的風(fēng)扇葉片需具備一定的抗外物損傷能力。在實際服役過程中，風(fēng)扇葉片受外物撞擊的時間很短，應(yīng)變速率較高，慣性力較大，因此需考慮應(yīng)變速率和慣性力對材料力學(xué)性能的影響，從而提高三維編織復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能的預(yù)測準確性。
2.1動態(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)合材料動態(tài)力學(xué)性能試樣的制備還沒有相應(yīng)的標準，研究者基于金屬動態(tài)力學(xué)性能試樣的設(shè)計標準，考慮實際加工難度以及加工損傷對力學(xué)性能的影響，將編織類復(fù)合材料的動態(tài)壓縮和動態(tài)拉伸試樣設(shè)計為長方體，并且動態(tài)力學(xué)性能試樣要保證包含一定數(shù)量的單胞(至少3個單胞)以確保試驗結(jié)果具有代表性。SUN等和GU等采用尺寸分別為10.2mm×8.3mm×3.6mm和10.4mm×8.9mm×5.6mm的三維四向編織復(fù)合材料試樣進行了面內(nèi)和面外動態(tài)壓縮試驗。LI等采用尺寸為13.5mm×10mm×10mm的三維四向編織復(fù)合材料試樣進行了縱向和橫向動態(tài)壓縮試驗。WAN等和ZHANG等均采用尺寸為9mm×9mm×9mm的正方體試樣研究了三維四向編織復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能。LIU等采用尺寸分別為8mm×6.6mm×6.6mm、8mm×8.7mm×8.7mm、8mm×10.8mm×10.8mm、8mm×12.9mm×12.9mm和8mm×15mm×15mm的試樣研究了橫截面尺寸對三維編織復(fù)合材料彈性模量和壓縮強度的影響。
TANG等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)域擴展，最后在纖維束卷曲處斷裂。GU等和SUN等對三維編織復(fù)合材料進行了應(yīng)變速率為800~3500s-1的面內(nèi)和面外動態(tài)壓縮試驗，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等對三維五向編織碳纖維復(fù)合材料進行了應(yīng)變速率為350~1600s-1的壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)初始階段的動態(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。ZHU等對玄武巖纖維束進行了準靜態(tài)拉伸和動態(tài)拉伸試驗，準靜態(tài)拉伸的應(yīng)變速率為0.001s-1，動態(tài)拉伸的應(yīng)變速率為600~3000s-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，且其失效強度符合Weibull分布。GAN等對三維編織玻璃纖維復(fù)合材料進行了準靜態(tài)和動態(tài)單軸拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)三維編織復(fù)合材料的拉伸彈性模量、失效強度和失效應(yīng)變對應(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等對層合復(fù)合材料進行了壓縮試驗，建立了應(yīng)變速率對復(fù)合材料橫向模量、剪切模量和壓縮強度影響的函數(shù)模型。ZHANG等對三維編織復(fù)合材料進行了準靜態(tài)和應(yīng)變速率分別為800，1500，2000s-1的動態(tài)縱向和橫向壓縮試驗，結(jié)果表明材料在縱向和橫向上的壓縮性能均對應(yīng)變速率敏感，彈性模量和壓縮強度均隨應(yīng)變速率的增大而增大；縱向壓縮的彈性模量和失效強度較準靜態(tài)壓縮的分別提高了125%~478%和61%~179%。譚柱華等研究了三維編織碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在準靜態(tài)和動態(tài)壓縮載荷下的力學(xué)性能，得到了應(yīng)變速率為900~1500s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變速率下復(fù)合材料的壓縮強度和彈性模量相對于準靜態(tài)下的均明顯增大，且以剪切破壞失效為主。李冰柯等對三維四向和三維五向編織復(fù)合材料進行了橫向沖擊試驗，利用高速攝影記錄了沖擊變形和損傷擴展情況，研究了細觀結(jié)構(gòu)對材料橫向沖擊變形行為的影響。黃雄等、TAN等、CUI等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)合材料的動態(tài)壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)編織角和應(yīng)變速率會明顯影響復(fù)合材料的彈性模量和失效強度，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)性能較準靜態(tài)下的增強，因此需對高應(yīng)變速率下的力學(xué)性能進行合理修正。動態(tài)拉伸試驗由于需要可靠的手段連接試驗件和動態(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，因此對試驗設(shè)備和信號采集的要求極高，目前公開報道的三維編織復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能主要為動態(tài)壓縮性能，動態(tài)拉伸性能仍需探索。
2.2動態(tài)失效準則
材料的本構(gòu)模型包括應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、初始失效準則和失效后的材料性能演變。一般認為材料失效是內(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，需要對材料的力學(xué)性能進行合理折減。目前，三維編織復(fù)合材料專用的失效準則還沒有建立，研究者們一般把三維編織復(fù)合材料簡化成縱向、橫向和厚度方向的層合復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)，將3個方向的應(yīng)變速率對力學(xué)性能的影響引入靜態(tài)本構(gòu)模型進行修正，將修正后的模型作為復(fù)合材料的動態(tài)本構(gòu)模型，并采用現(xiàn)有的層合復(fù)合材料的失效準則作為失效判據(jù)。
CHUNG等和RYOU等以玻璃纖維增強復(fù)合材料為研究對象，提出了考慮黏彈性的三點彎曲試驗的塑性本構(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塑性失效準則。ZHANG等采用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則。NOBEEN 等對纖維束和基體分別采用Hashin和Stassi失效準則，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，材料軸向失效強度隨編織角的增大而減小。黃橋平等對層合復(fù)合材料進行了動態(tài)拉伸試驗，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高速沖擊性能
高速沖擊時，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。三維編織復(fù)合材料的預(yù)制體采用連續(xù)纖維束編織，在高速沖擊作用下破壞時，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，裂紋擴展較難，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等對三維編織玻璃纖維復(fù)合材料進行了高速沖擊試驗，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軟件進行高速沖擊數(shù)值模擬，模擬破壞模式與試驗結(jié)果一致。徐靜怡等和顧伯洪等使用速度為300~700m·s-1的步槍子彈對三維編織復(fù)合材料進行高速沖擊試驗，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等使用LS-DYNA軟件計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建立了三維編織復(fù)合材料靶板的細觀尺度有限元模型，采用LS-DYNA 軟件計算了高速沖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 等考慮了三維編織復(fù)合材料內(nèi)胞結(jié)構(gòu)的特點，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等進行了彈體高速沖擊三維角鏈鎖復(fù)合材料靶板試驗，采用細觀模型模擬發(fā)現(xiàn)，彈體剛接觸靶板時，靶板僅發(fā)生基體開裂，纖維受擠壓發(fā)生小變形；彈體逐漸進入靶板內(nèi)部時，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，靶板背面出現(xiàn)溶脹變形，纖維拉長損壞。ZHOU等建立了三維編織復(fù)合材料管道的細觀有限元模型，模擬了霍普金森壓桿高速橫向沖擊時管道的變形行為，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，損傷并不嚴重。ZHOU等采用改進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觀有限元模型并模擬了沖擊過程。ZHANG等考慮到三維四向和三維五向編織復(fù)合材料中3個單胞的結(jié)構(gòu)不同，采用對數(shù)函數(shù)對失效強度和應(yīng)變速率的關(guān)系進行修正，并用修正后的模型模擬了復(fù)合材料的高速沖擊損傷過程。楊永齊對三維編織復(fù)合材料進行高速沖擊試驗，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。李媛媛開展了三維編織復(fù)合材料沖擊剪切性能的試驗研究，建立了復(fù)合材料的細觀有限元模型，分析了復(fù)合材料沖擊剪切過程的失效機理和吸收能量。GAO等對3種編織角(15°，26°，37°)三維編織復(fù)合材料立方塊進行了多次沖擊試驗，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)合材料高速沖擊研究中，針對實際應(yīng)用對象特點的研究較少，如根據(jù)航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片實際應(yīng)用特點開展的高速沖擊試驗研究未見公開報道。此外，三維編織復(fù)合材料的高速沖擊研究主要集中在鋼柱類硬物沖擊方面，關(guān)于鳥體類軟體高速沖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)合材料細觀有限元模型的建立和動態(tài)力學(xué)性能尤其是高速沖擊性能方面已經(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，空間拓撲關(guān)系十分復(fù)雜，采用細觀尺度描述其結(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)試驗以及以RVE為基礎(chǔ)的彈性常數(shù)計算上，而關(guān)于失效準則、動態(tài)力學(xué)性能，尤其是高速沖擊性能的研究還處于探索階段。未來可從以下幾個方面開展研究：采用更加合理的纖維束截面來描述實際的纖維束構(gòu)型；由于三維編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以進一步開發(fā)軟件，并結(jié)合無損掃描數(shù)據(jù)實時構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型；測試組分材料的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能，定量分析應(yīng)變速率效應(yīng)對組分材料力學(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)合材料的動態(tài)拉伸試驗研究，為確保試驗結(jié)果具有代表性，三維編織復(fù)合材料動態(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)合材料試樣和動態(tài)拉伸設(shè)備，因此需要改進霍普金森壓桿試驗設(shè)備并設(shè)計合適的拉伸夾具，以便開展三維編織復(fù)合材料的動態(tài)拉伸試驗。
引用本文：
譚煥成，覃文源，劉升旺，劉文，陳璐璐，王禎鑫.三維編織復(fù)合材料細觀幾何建模及動態(tài)力學(xué)性能的研究進展[J].機械工程材料，2021，45（8）：1-7.
Tan H C, Qin W Y, Liu S W, et al.Research Progress on Establishment of Meso-scale Geometrical Model and Dynamic Mechanical Properties of 3D Braided Composite, 2021, 45（8）: 1-7.
DOI：10.11973/jxgccl02108001
來源：機械工程材料
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