南航《CS》：不同孔径三维正交机织复合材料沿经纱的拉伸力学性能

2021-12-30 19:50 作者:复合材料力学 0人读过 | 我要投稿

复合材料力学

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导读

近年来，由于复合材料轻质高强的优点，其在机械部件中得到越来越广泛的应用。因而，为了达到工程需求的结构件指标，工程师需掌握复合材料的力学性能。在实际应用中，构件通常含有一定数量的紧固孔，而这些孔会导致材料构件力学性能的降低。其中，三维正交层间机织复合材料（3DOLWC）在结构设计中越来越受到青睐。

为此，南京航空航天大学的Junhua Guo（第一作者），Hongjian Zhang&Haitao Cui（通讯作者）及其团队在《Composite Structures》上发表了题为“Warp-loaded mechanical performance of 3D orthogonal layer-to-layer woven composite perforated structures with different apertures”的文章，建立了三维正交层间机织复合材料的宏观有限元模型，通过实验数据对开孔3DOLWC的数值模拟结果进行了验证，研究了孔径对材料拉伸力学性能的影响，为三维正交层间机织复合材料的应用提供了进一步的理论指导，具有重要的工程意义。

内容简介

如图1a,b所示，作者所研究的3DOLWC，经纱与纬纱垂直互锁，编织过程中使用了日本东丽公司生产的T300-3k碳纤维，预制件由天津工业大学复合材料研究所编织，复合材料以QY8911-IV双马来酰亚胺为树脂基体，然后通过VARTM工艺复合成型。为了表征材料的细观结构，假设经纱和纬纱截面分别为矩形和椭圆形，经纱排列整齐，纬纱可近似于一条直线。与经纱相比，纬纱的排列是不规则的，尤其是表层纬纱，位置发生了明显偏离。

图1　3DOLWC的（a）二维和（b）三维结构；（c）经纱和（d）纬纱的横截面假设；（e）经纱和（f）纬纱的实际横截面
图2a给出了通过VARTM方法制备3DOLWC的过程。先将预制件放入模具中，然后利用压力差将树脂注入模具中，在制备结束后，可以发现，3DOLWC的细观结构并不是很有规律，而是具有一定的随机性。图2b给出了3DOLWC细观结构的随机性机理。首先，在压力差作用下，由于缺乏经纱的约束，表面纬纱向右移动。随后，由于表面纬纱的偏移，会产生两种结果。（1）表面经纱与次表面经纱之间发生粘连。（2）表面纬纱由于挤压次纬纱，改变了次纬纱的角度、尺寸和位置，改变了次经纱的倾角。同样地，次纬纱对内层纬纱也有类似的影响，但程度小于次纬纱（WF2和WF5）。再加上成型过程中的压差和温度波动，最终导致了所制备的3DOLWC细观结构的随机性。

图2　（a）3DOLWC的制备过程（b）细观结构中纬纱的随机性分布

图3给出了纤维束的坐标系，1-方向为纤维束的纵向（或称轴向），2-或3-方向表示纤维束的横向。

图3　纤维束及其坐标系

图4a给出了3DOLWC的单胞模型，在这个单胞模型中，有三束完整的纬纱和两束不完整的纬纱。图4b为3DOLWC的有限元模型，其中基体包含14520个网格，经纱包含11,676个网格，纬纱包含3324个网格，共29520个网格。

图4　3DOLWC纬纱随机分布的单胞（a）几何模型（b）有限元模型

图5为开孔3DOLWC试样的几何图形和实际图形。从宏观上看，在建立有限元模型时，只需考虑试样的1/4。然而，由于纬纱分布的随机性，其细观结构在经向是不对称的。因此，作者建立了试样的半有限元模型，该模型在纬纱方向上是对称的。

图5　（a）试样尺寸和（b）试样照片

一般情况下，建立有限元模型之前需先建立几何模型，然后生成相应的有限元模型。但该方法不适用于这种细观结构的复杂开孔板。主要有两个原因。（1）由于细观结构的复杂性，难以生成高质量的网格。（2）纱线结构在切口周围容易产生几何变形，从而不容易生成有限元模型。因此，作者通过网格拼接与编辑的方法，建立了开孔的3DOLWC的有限元模型，如图6所示。

图6　开孔3DOLWC的建模过程

图7a为开孔纬纱截面的细观图。图7b的仿真模型通过与实验图做对比，可以发现，经纬纱剪断数与实际试样非常接近，说明所建立的有限元模型的可行性。图7c-f为不同孔径的3DOLWC细观结构模型。

图7　（a）开孔处的实际介观形态；不同中心孔的介观结构区域（b）D6.3mm圆孔（c）D4mm圆孔（d）D8mm圆孔（e）D10mm圆孔（f）D12mm圆孔

如图8所示，对于开孔3DOLWC模型，采用了四种边界条件。首先，由于有限元模型只建立了一半，对中心面施加了对称性约束；其次，考虑到模型在数值计算过程中不能产生刚体位移，在均匀化区域的一端施加了固定约束；另外，细观结构区域与均匀化区域的连接面采用了粘结接触法；最后，在均匀化区域的另一端施加载荷，以进行渐进性损伤分析。

图8　开孔3DOLWC有限元模型的边界条件

图9为实验与模拟所得的应力-应变曲线对比图。总之，无论是3DOLWC还是开孔3DOLWC，数值模拟都能有效地捕捉到实验数据，验证了所建立的有限元模型的合理性。

图9　实验与模拟所得（a）3DOLWC和（b）开孔3DOLWC应力-应变曲线

图10和图11分别为3DOLWC和开孔3DOLWC的经纱拉伸断裂图与最终损伤云图。

图10　3DOLWC的经纱承载断裂图（a）宏观断裂（b）细观断裂（c）断裂机理图（d）基体损伤云图（e）纱线纵向损伤云图（f）纱线横向损伤云图。其中WPLD为经纱纵向损伤，WPTD为经纱横向损伤，WFLD为纬纱纵向损伤,WFTD为纬纱横向破损,MD为基质损伤

图11　开孔直径为6.3mm的3DOLWC经纱承载断裂图（a）宏观断裂（b）细观断裂（c）断裂机理图（d）基体损伤云图（e）纱线纵向损伤云图（f）纱线横向损伤云图。

小结

开孔3DOLWC的预测值与实验结果的最大误差仅为2%，预测的应力-应变曲线能有效地捕捉实验数据；模拟的断口形貌在关键处与实验断口一致。因而，建立的宏-细观有限元模型与连续损伤力学模型相结合，可以有效地预测开孔3DOLWC的拉伸力学性能和破坏行为。

原始文献：Guo J, Wen W, Zhang H, Cui H. Warp-loaded mechanical performance of 3D orthogonal layer-to-layer woven composite perforated structures with different apertures[J]. Composite Structures, 2021, 278:114720.

稿件整理：Sophia （感谢投稿）

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