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1.導(dǎo)讀

在航空航天、國防軍工等高端制造領(lǐng)域，復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性而備受青睞。其中，3D針刺預(yù)制體作為一種性能優(yōu)異、成本可控的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通過引入Z向纖維束，有效提升了復(fù)合材料的層間性能，應(yīng)用前景廣闊。然而，針刺工藝帶來的復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)，使得準(zhǔn)確預(yù)測其層間剝離行為成為一大難題。

近日，天津工業(yè)大學(xué)（TGU）紡織復(fù)合材料研究院謝軍波副研究員提出了一種新穎的混合有限元建模方法。該方法巧妙地將殼體單元(Shell element)和桿單元(truss element)結(jié)合，在保證計算效率的同時，精準(zhǔn)捕捉了3D針刺非織造預(yù)制體在剝離過程中的關(guān)鍵力學(xué)行為。這項研究不僅為理解針刺預(yù)制體的增韌機(jī)制提供了新視角，更為優(yōu)化針刺工藝、設(shè)計高性能復(fù)合材料建立了可靠的數(shù)值分析平臺。文章發(fā)表于國際知名期刊《Composite Structures》，論文標(biāo)題為“A novel modeling approach for interlaminar delamination behavior in 3D needled nonwoven preforms”，文章第一作者為方靜博士，通訊作者為謝軍波副研究員。

2.內(nèi)容簡介

這項研究提出的建模方法核心在于“解耦”與“混合”?？紤]到3D針刺非織造預(yù)制體由面內(nèi)無規(guī)則分布的纖維網(wǎng)胎和Z向的針刺纖維束兩種主要結(jié)構(gòu)組成，研究者并未試圖建立一個包含所有纖維細(xì)節(jié)的全尺寸模型，而是采用了一種高效的混合有限元策略。

非織造氈層：將非織造氈層視為均勻的連續(xù)介質(zhì)，使用殼單元進(jìn)行建模，主要用于捕捉氈層在剝離過程中的宏觀彎曲變形行為。

Z向針刺纖維束：將貫穿厚度的針刺纖維束模擬為一系列桿單元連接而成的鏈條。每個桿單元鏈條代表一個針刺纖維束，負(fù)責(zé)傳遞Z向載荷，反映纖維束從氈層中拔出的阻力。

這種“殼單元+桿單元”的混合模型，既保留了影響層間性能的關(guān)鍵物理機(jī)制（氈層彎曲和纖維束拔出），又極大地提升了計算效率。

模型的可靠性關(guān)鍵在于其參數(shù)均來源于真實的力學(xué)實驗，而非經(jīng)驗假設(shè)，確保了模型的物理保真度。

幾何參數(shù)：通過Micro-CT掃描真實預(yù)制體，精確測量了針刺纖維束的直徑分布（平均0.24 mm）和形態(tài)，為桿單元幾何尺寸和分布規(guī)律的確定提供了依據(jù)。

材料參數(shù)：

纖維束拔出阻力：基于特制的纖維束拔出實驗，獲得了單個針刺部位Z向纖維束從氈層中被拔出時的力-位移響應(yīng)。該響應(yīng)用于標(biāo)定桿單元的非線性本構(gòu)關(guān)系，用以表征纖維束從周圍網(wǎng)胎中抽出、摩擦滑動直至最終拔出的復(fù)雜過程。

圖1 針刺纖維束拔出實驗及歸一化載荷-位移曲線

纖維氈層彎曲剛度：采用相框彎曲實驗測定了纖維氈層在特定變形下的彎矩和曲率。該實驗結(jié)果用于定義殼單元的等效彎曲剛度，使其彎曲響應(yīng)與真實材料一致。

圖2 纖維氈層的相框彎曲實驗

該文章利用所提出的建模方法構(gòu)建了全尺寸的3D針刺預(yù)制體剝離試樣模型，并對其層間剝離行為進(jìn)行了數(shù)值仿真。模擬結(jié)果生動地再現(xiàn)了剝離過程：隨著上下兩層氈層被拉開，連接在中間的Z向纖維束逐漸被拉直、伸長，直至達(dá)到其拔出強(qiáng)度后失效。仿真預(yù)測的載荷-位移曲線呈現(xiàn)出與實驗一致的“鋸齒狀”波動，這正是纖維束漸進(jìn)失效的典型特征。模擬得到的載荷-位移曲線與實驗結(jié)果高度一致，驗證了該建模方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 針刺預(yù)制體層間剝離過程數(shù)值仿真

利用已驗證的模型，進(jìn)一步探討了針刺密度對層間性能的影響。研究團(tuán)隊分別建立了針刺密度為10、20、30和40針/cm²的預(yù)制體模型，并模擬其層間剝離過程。

圖4 不同針刺密度預(yù)制體的層間剝離行為仿真預(yù)示

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：預(yù)制體的平均剝離載荷與針刺密度呈現(xiàn)出近似線性的增長關(guān)系。與10針/cm²的預(yù)制體相比，20、30和40針/cm²的預(yù)制體，其平均剝離載荷分別提高了184%、388%和720%。這一發(fā)現(xiàn)定量地揭示了針刺密度對層間性能的增強(qiáng)效果，為優(yōu)化針刺工藝設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

3.小結(jié)

這項研究成功構(gòu)建了一種新穎、高效的混合有限元模型，為3D針刺預(yù)制體的層間剝離行為分析提供了強(qiáng)有力的工具。該方法通過“殼單元+桿單元”的巧妙組合，平衡了計算精度與效率，并通過實驗全面標(biāo)定了模型參數(shù)，確保了仿真的可靠性。研究不僅揭示了Z向纖維束拔出過程的能量耗散機(jī)制，還分析了針刺密度與剝離載荷間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。該成果為高性能針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝設(shè)計提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)和數(shù)值平臺。