织造角对三维机织复合材料单胞结构模型拉伸行为的影响

徐春成

(盐城工业职业技术学院,江苏 盐城 224005)

1 前 言

三维机织复合材料是一种以一次成型的三维机织物作为纤维增强体,热固性树脂作为基体的新型纤维增强复合材料[1-3]。三维机织物由数层纬纱和起到包缠和捆绑作用的经纱组成,其中弯曲的经纱在厚度方向上增强了复合材料的各层间抗剪切强度[4-5],因此,与二维织物增强复合材料相比,三维机织复合材料表现出更加优异的层间剪切强度和抗冲击性能,被更加广泛的应用于航天航空、交通、航运、国防及工业制造等领域[6-8]。

使用传统的试验及测试方法,可以根据测试数据得到复合材料的力学性能及特点,但根据试验数据对复合材料内部纤维增强体与树脂基体间相互作用机理以及复合材料在载荷作用下的力学行为进行分析则比较困难,以及存在无法解决的试验及测试误差问题[9-11]。有限元模拟技术的出现解决了试验误差问题,并通过建立细观模型使得对复合材料在载荷作用下的内部微观力学行为的探究成为可能[12-13]。

本研究借助参数化三维建模软件PRO/E 5.0,根据三维机织物织造角构建了三维机织复合材料单胞模型。通过ANSYS Workbench有限元软件从单胞模型分析了织造角对三维机织复合材料经向拉伸性能的影响。根据结果分析织造角对三维机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷下的力学响应,基于单胞模型中纤维束与树脂间拉伸应力、拉伸应变分布情况,分析三维机织复合材料单胞模型中的微观力学性能。

2 有限元模型

2.1 基本假设

由于三维机织复合材料内部结构复杂,在模型建立及模拟计算方面存在着一些困难,因此在构建模型时提出一些基本假设来简化模型并减少计算机的计算量。提出的基本假设如下[14]:

(1)纤维为连续性长丝,在三维机织物织造的过程中,纤维束彼此间相互挤压造成截面非圆形,本研究设定纤维横截面为跑道圆型,如图1所示。

图1 纤维束横截面示意图(单位:mm)Fig.1 Schematic diagram of the fiber bundle cross section(Unit:mm)

(2)三维机织物纤维增强体的织造过程在一定程度上均一稳定,且在注胶复合的过程中纤维力学性能并未损伤且相对位置未发生变动。

(3)三维机织复合材料制造过程中,纤维截面不发生变化,纤维与树脂间具有良好的粘结性,且复合材料中没有裂痕、孔洞和气泡等缺陷。

2.2 建立模型

在PRO/E 5.0中建立经纬纱结构模型,并将其装配在一起;使用切除功能建立树脂基体的结构模型,并将纤维和树脂装配成复合材料单胞结构模型。三个单胞结构模型编号为a、b和c,其中纤维组分、树脂组分及复合材料的微观结构及尺寸见图2。

图2 三维机织复合材料单胞模型Fig.2 Micro-structural model of 3D woven composite unit cell (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

3 有限元设置

3.1 材料性能参数

三维机织复合材料采用玻璃纤维的增强体与环氧树脂复合制备而成。在ANSYS Workbench 有限元分析软件输入各组分的性能参数,其中玻璃纤维和环氧树脂参数参考文献[15],具体参数见表1。

表1 三维机织复合材料各组分材料参数Table 1 Parameter of each component of 3D woven composites

3.2 网格划分与边界条件

通过PRO/E 5.0软件构建出的复合材料单胞结构模型中纤维是各自独立的,而在分析中,需要将纤维部分当成一个受力整体进行分析。因此,使用ANSYS中Boolean operation的功能将纤维组分粘接在一起形成一个受力整体。

在ANSYS Workbench中网格划分方法分为自动网格划分、扫掠网格划分、四面体网格划分、六面体网格划分等等。有限元模型中网格质量决定计算结果的准确性,与其他网格划分方法相比,在同样的求解精度下,采用六面体网格划分网格使材料具有的网格单元及节点数量少,质量高,有限元分析的过程中更容易收敛。综合各种因素,本研究采用六面体网格对三维机织复合材料单胞模型进行划分,网格尺寸为0.05 mm,三维机织复合材料单胞模型网格单元见图3,单胞模型各组分网格单元及节点数量如表2所示。

图3 三维机织复合材料单胞模型网格Fig.3 3D woven composite cell model mesh (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

表2 三维机织复合材料单胞模型网格参数Table 2 Meshing Parameters of 3D woven composites unit cell model

根据前期对三维机织复合材料力学性能实际测试过程中的参数设置,在有限元模型边界条件设定时,对沿单胞模型沿Y 方向两个对立面分别施加方向相反的500 N 拉伸力。

4 结果与分析

4.1 三维机织复合材料单胞模型力学行为

从图4可见,三维机织复合材料单胞模型在拉伸载荷的作用下产生了不同程度的拉伸应力与拉伸应变。结合数据分析,在同样的拉伸载荷作用下,随着复合材料织造角的增大,复合材料单胞结构模型内的拉伸应力与拉伸应变均逐渐增大。这说明在相同的拉伸载荷作用下,随着复合材料单胞结构模型织造角的增加,单胞结构模型更容易发生拉伸破坏并发生更加严重的变形。

图4 复合材料单胞结构模型拉伸应力应变分布云图Fig.4 Nephogram of tensile stress of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

由于复合材料在承受载荷时由纤维与树脂共同作用,对于其协同作用机理的研究比较困难,将纤维与树脂作为两种组分,并对两种组分的应力应变分布分别进行分析。

4.2 单胞结构模型各组分力学性能

由三个复合材料单胞结构模型中纤维增强体与树脂基体拉伸应力分布云图(图5)分析可知,复合材料单胞结构模型纤维组分在经向拉伸载荷的作用下,峰值拉伸应力分布在拉伸面纤维的边缘及拐角处、经纬纱交界面及纤维增强体表面;树脂基体中较大的拉伸载荷同样位于拉伸面树脂基体的边缘、拐角处及树脂基体与纤维增强体的界面上。这说明在承受拉伸载荷作用时这些位置分布较多的应力集中点,且较容易发生破坏。

图5 复合材料单胞结构模型各组分拉伸应力分布云图Fig.5 Nephogram of tensile stress of components of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

对比纤维组分中的经纬纱,可以看出更大的拉伸应力分布在弯曲的经纱上,这是由于经纱沿轴向方向存在着与经向拉伸载荷方向平行的分量,纬纱的轴向方向则存在垂直于经向拉伸载荷方向。三维机织复合材料增强体中经纱拉伸过程中起到主要承受载荷的作用,而纬纱在这个过程中主要起到连接各根经纱及传递载荷。

拉伸应变分布情况反映了三维机织复合材料单胞结构模型纤维组分与树脂组分在拉伸载荷作用下的变形情况。从图6可见,与拉伸应力分布情况相似,单胞模型纤维组分中受力面附近的边缘与拐角处、经纬纱交界处及纤维与树脂基体的交界面上的拉伸应变值较大,这说明在这些位置出现了较大的拉伸变形。同样,轴向存在与拉伸载荷方向相同分量的经纱较轴向与拉伸载荷垂直的纬纱表现出更大的应变,变形更大。

图6 复合材料单胞结构模型各组分拉伸应变分布云图Fig.6 Nephogram of tensile strain of components of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

4.3 三维机织复合材料单胞模型拉伸性能分析

对比图7中三维机织复合材料单胞模型受载荷作用时纤维、树脂的应力应变情况发现,同一单胞模型在相同的载荷作用下,纤维较树脂表现出更大的拉伸应力和更小的拉伸应变。这说明纤维在三维机织复合材料单胞模型中是主要载荷承载体,承担了更多的载荷,而作为次要承载体的树脂基体承受较少的载荷;但是树脂基体的杨氏模量较小,泊松比较大,在单胞模型中树脂基体产生的变形仍然较大。随着织造角的增加,可以看出复合材料单胞结构模型中纤维与树脂组分的应力、应变均逐渐增加,这是由于纤维中轴向含有与载荷方向平行分量的经纱惯性矩随着织造角的增加而逐渐增大,纤维体的拉伸应力与拉伸应变随之增加;由于作为主要承载体的纤维组分中产生更大的拉伸应力与拉伸应变,作为次要承载体的树脂被迫承受更大的载荷作用,且同时发生更大的形变。纤维组分与树脂组分中产生更大的拉伸应力与拉伸应变的现象说明在同样的载荷作用下,复合材料单胞结构模型更容易发生破坏。

图7 织造角对三维机织复合材料单胞模型中纤维与树脂拉伸应力、应变的影响Fig.7 Influence of weaving angle on tensile stress and strain composite unit-cell models

5 结 论

随着织造角的增大,三维机织复合材料单胞模型中纤维组分与树脂组分的拉伸应力和拉伸应变均逐渐增加,在同样的载荷作用下更容易发生破坏,复合材料单胞结构模型的力学性能逐渐变差。

在拉伸载荷的作用下,三维机织复合材料单胞模型中纤维承受较大的载荷,拉伸应力较大,树脂基体承担的载荷较小,但拉伸变形较大;三维机织复合材料单胞模型中,与拉伸方向平行的经纱比与拉伸方向垂直的纬纱承担更多的载荷,且具有较大的拉伸应力和拉伸应变。