三维编织复合材料力学性能研究进展

田龙 张香成

摘 要：复合材料的比强度、比模量高，耐热性、耐腐蚀性能强等性能，使得复合材料应用越来越广泛。但由于传统的复合材料层合板具有分层缺陷，抗剪切等力学性能还存在一些劣势，进而在之后的研究中提出了三维编织复合材料力学性能的研究。该文将对近些年关于三维编织复合材料的力学性能从理论、实验、模拟方面进行综述。

关键词：三维编织复合材料 力学性能 综述

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0065-02

三维编织复合材料是三维编织技术和现代复合材料技术结合的产物，是对结构和多功能复合材料的需要而发展起来的一种高新纺织技术，编织复合材料在生产工艺中应用越来越广泛。三维编织复合材料的纤维结构为网状结构，使得材料形成一体，增加了其强度，不存在二次加工造成的损伤。并且三维编织复合材料具备传统复合材料比强度、比模量高的特性，还具备不分层和较高的损伤容限的优点。从一般的二维编织到三维编织的研究过程中对如何确定三维编织复合材料的力学性能，以及失效行为对工业设计尤为重要。纤维增强复合材料的编织方法的制备始于20世纪70年代，最初的目的是为了提高其层间属性。国内外学者对于编织复合材料的力学行为进行了细观结構力学模型、数值仿真以及工程弹性常数预测等多方面研究。

1 三维编织复合材料细观力学模型

在细观结构力学模型研究方面，由于三维编织复合材料的内部结构相当复杂，很少进行全编织分析，一般取其一部分代表性体积单元作为研究对象。V.R等[1]基于叠加原理，对单胞建立解析模型，通过理论分析对模型的3个主方向的弹性模量与泊松比的大小进行了预测，为今后的模拟提供了依据。在实验研究方面，SR [2]通过模型基础利用实验方法预测工程弹性常数。得到纤维倾角较小情况的三维编织复合材料的纵向、横向的弹性模量以及整体材料的强度。Jialu Li等[3]利用实验研究割边对三维编织复合材料编织方向上拉伸、压缩以及弯曲的力学性能。南京航空航天大学许希武等[4]基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元。采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。陈光伟等[5]针对三维多向编织复合材料结构件承载细观结构优化设计的问题，以三维编织复合材料T型梁为对象，对其抗弯性能进行模拟分析。

2 三维编织复合材料模型数值模拟

在数值模拟研究方面，Fang G等[6]除在考虑纤维和基体内部的破坏模式外，还利用内聚力模型引入纤维和基体界面的破坏。通过有限元模拟建立胞元，得到三维四向编织复合材料的细观力学性能，得出界面强度对材料的非线性以及弹性模量影响较大。Liang Jun等[7]根据三维四向编织复合材料的几何构型，将纱线界面简化为八边形，建立胞元模型。将随机函数理论引入单元模型，通过数值模拟研究纱线畸变对三维四向编织复合材料的力学性能的影响。YANG等[8]基于经典层合板理论，通过将复合材料胞元考虑成多个倾斜的单向板的组合，建立纤维倾斜模型的方法，利用有限元模拟方法预测三维编织复合材料的弹性性能。宛琼等人[9]依据三维四向编织复合材料的结构特点，建立了能真实反映其空间构型的“双纽线”单元体模型，采用有限元方法对三维四向编织复合材料在制备冷却阶段的热变形行为以及残余应力和残余应变的分布状况。天津工业大学焦亚男等[10]从单元体角度分析了变截面三维编织复合材料织造过程中增加或减少纱线的机制。通过比较分析单元数量减少法和尺寸减缩法对具体实施法案的工艺制备，及其适应性和两种方法的优缺点的关系，建立了纤维交织的空间结构几何模型。另外，国防科技大学罗征[11]等人在“双纽线”、六面体界面交织型、米字型等单胞微观模型的基础上建立“贝塞尔”单胞模型。该模型较好地模拟了三维四向编织复合材料纤维走向与微观结构。

3 三维编织复合材料弹性常数预测

弹性模量以及强度的预测是编织复合材料的研究的重点，D.L[12]基于三维五向编织复合材料的微观构型。单胞的几何特性与其在预成型的位置和取向的有关，通过四步法建立了三胞元模型，采用纤维和基体界面的一些强度准则进行失效分析，预测了三维五向编织复合材料的工程弹性常数，分析了界面破坏及相应力学性能的影响。Hui-Yu Sun等人[13]基于单层板的横观各向同性性质以及Tsai-Wu强度失效准则。通过建立三维编织复合材料的纤维倾斜模型对其强度进行理论预测。结果表明，三维编织复合材料模型的编织角对弹性模量和强度有很大影响，轴向纤维的拉伸力学性能也随编织角的变化影响。Xiao等人[14]对二维编织复合材料的细观力学性能进行预测。将编织复合材料的胞元分成多个子胞元，并利用壳单元通过对每个子胞元单元模型进行简化，最终得到的强度值与实验结果差别不大。由于国内相对国外三维编织发展的相对晚一点，但也进行了一系列研究，尤其是在三维编织复合材料的工程弹性系数的预测及材料强度的研究方面，通过实验、数值模拟进行了系统的研究。李典森[15]通过建立三维四向编织复合材料的单胞模型，利用桥联模型和刚度平均化方法得到了整体工程弹性常数，证明了桥联模型对于三维编织分析的价值。并且用强度失效准则，预测了模型的拉伸强度。陈利等[16]采用短标距薄板试件法对三维五向和六向编织复合材料试件进行了压缩试验。分析了编织工艺参数编织角，纤维体积含量等变化对这两类材料的纵向压缩刚度、强度和泊松比的影响，并且判断相应材料的失效形式。

4 结语

综上可知，国内外通过建立大量的理论模型对三维编织复合材料进行模型构造，进行相应的力学性能分析。并且通过有限元等模拟手段对材料的弹性力学性能进行预测，通过一些实验进行验证进而指导工程实践的应用。但对于三维编织缺乏完善的理论公式，都是建立在已经经验公式和传统的层合板公式上，并且在一些应用的工艺制造方面缺乏相应的研究，对于如何把理论用于实践还需要进行更长远的研究。

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