南航《CS》：不同孔徑三維正交機(jī)織復(fù)合材料沿經(jīng)紗的拉伸力學(xué)性能

2021-12-30 19:50 作者:復(fù)合材料力學(xué) 0人讀過(guò) | 我要投稿

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583篇原創(chuàng)內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

導(dǎo)讀

? ? ? ?近年來(lái)，由于復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其在機(jī)械部件中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因而，為了達(dá)到工程需求的結(jié)構(gòu)件指標(biāo)，工程師需掌握復(fù)合材料的力學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)件通常含有一定數(shù)量的緊固孔，而這些孔會(huì)導(dǎo)致材料構(gòu)件力學(xué)性能的降低。其中，三維正交層間機(jī)織復(fù)合材料（3DOLWC）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越受到青睞。

? ? 為此，南京航空航天大學(xué)的Junhua Guo（第一作者），Hongjian Zhang&Haitao Cui（通訊作者）及其團(tuán)隊(duì)在《Composite Structures》上發(fā)表了題為“Warp-loaded mechanical performance of 3D orthogonal layer-to-layer woven composite perforated structures with different apertures”的文章，建立了三維正交層間機(jī)織復(fù)合材料的宏觀有限元模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)開(kāi)孔3DOLWC的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，研究了孔徑對(duì)材料拉伸力學(xué)性能的影響，為三維正交層間機(jī)織復(fù)合材料的應(yīng)用提供了進(jìn)一步的理論指導(dǎo)，具有重要的工程意義。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

? ? ? ?如圖1a,b所示，作者所研究的3DOLWC，經(jīng)紗與緯紗垂直互鎖，編織過(guò)程中使用了日本東麗公司生產(chǎn)的T300-3k碳纖維，預(yù)制件由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所編織，復(fù)合材料以QY8911-IV雙馬來(lái)酰亞胺為樹(shù)脂基體，然后通過(guò)VARTM工藝復(fù)合成型。為了表征材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，假設(shè)經(jīng)紗和緯紗截面分別為矩形和橢圓形，經(jīng)紗排列整齊，緯紗可近似于一條直線。與經(jīng)紗相比，緯紗的排列是不規(guī)則的，尤其是表層緯紗，位置發(fā)生了明顯偏離。

圖1　3DOLWC的（a）二維和（b）三維結(jié)構(gòu)；（c）經(jīng)紗和（d）緯紗的橫截面假設(shè)；（e）經(jīng)紗和（f）緯紗的實(shí)際橫截面
? ? ? ?圖2a給出了通過(guò)VARTM方法制備3DOLWC的過(guò)程。先將預(yù)制件放入模具中，然后利用壓力差將樹(shù)脂注入模具中，在制備結(jié)束后，可以發(fā)現(xiàn)，3DOLWC的細(xì)觀結(jié)構(gòu)并不是很有規(guī)律，而是具有一定的隨機(jī)性。圖2b給出了3DOLWC細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性機(jī)理。首先，在壓力差作用下，由于缺乏經(jīng)紗的約束，表面緯紗向右移動(dòng)。隨后，由于表面緯紗的偏移，會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果。（1）表面經(jīng)紗與次表面經(jīng)紗之間發(fā)生粘連。（2）表面緯紗由于擠壓次緯紗，改變了次緯紗的角度、尺寸和位置，改變了次經(jīng)紗的傾角。同樣地，次緯紗對(duì)內(nèi)層緯紗也有類似的影響，但程度小于次緯紗（WF2和WF5）。再加上成型過(guò)程中的壓差和溫度波動(dòng)，最終導(dǎo)致了所制備的3DOLWC細(xì)觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性。

圖2?。╝）3DOLWC的制備過(guò)程（b）細(xì)觀結(jié)構(gòu)中緯紗的隨機(jī)性分布

? ? ? ?圖3給出了纖維束的坐標(biāo)系，1-方向?yàn)槔w維束的縱向（或稱軸向），2-或3-方向表示纖維束的橫向。

圖3　纖維束及其坐標(biāo)系

? ? ? ?圖4a給出了3DOLWC的單胞模型，在這個(gè)單胞模型中，有三束完整的緯紗和兩束不完整的緯紗。圖4b為3DOLWC的有限元模型，其中基體包含14520個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)紗包含11,676個(gè)網(wǎng)格，緯紗包含3324個(gè)網(wǎng)格，共29520個(gè)網(wǎng)格。

圖4　3DOLWC緯紗隨機(jī)分布的單胞（a）幾何模型（b）有限元模型

? ? ? ?圖5為開(kāi)孔3DOLWC試樣的幾何圖形和實(shí)際圖形。從宏觀上看，在建立有限元模型時(shí)，只需考慮試樣的1/4。然而，由于緯紗分布的隨機(jī)性，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)在經(jīng)向是不對(duì)稱的。因此，作者建立了試樣的半有限元模型，該模型在緯紗方向上是對(duì)稱的。

圖5?。╝）試樣尺寸和（b）試樣照片

? ? ? ?一般情況下，建立有限元模型之前需先建立幾何模型，然后生成相應(yīng)的有限元模型。但該方法不適用于這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜開(kāi)孔板。主要有兩個(gè)原因。（1）由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。（2）紗線結(jié)構(gòu)在切口周圍容易產(chǎn)生幾何變形，從而不容易生成有限元模型。因此，作者通過(guò)網(wǎng)格拼接與編輯的方法，建立了開(kāi)孔的3DOLWC的有限元模型，如圖6所示。

圖6　開(kāi)孔3DOLWC的建模過(guò)程

? ? ? ?圖7a為開(kāi)孔緯紗截面的細(xì)觀圖。圖7b的仿真模型通過(guò)與實(shí)驗(yàn)圖做對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)緯紗剪斷數(shù)與實(shí)際試樣非常接近，說(shuō)明所建立的有限元模型的可行性。圖7c-f為不同孔徑的3DOLWC細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型。

圖7?。╝）開(kāi)孔處的實(shí)際介觀形態(tài)；不同中心孔的介觀結(jié)構(gòu)區(qū)域（b）D6.3mm圓孔（c）D4mm圓孔（d）D8mm圓孔（e）D10mm圓孔（f）D12mm圓孔

? ? ? ?如圖8所示，對(duì)于開(kāi)孔3DOLWC模型，采用了四種邊界條件。首先，由于有限元模型只建立了一半，對(duì)中心面施加了對(duì)稱性約束；其次，考慮到模型在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中不能產(chǎn)生剛體位移，在均勻化區(qū)域的一端施加了固定約束；另外，細(xì)觀結(jié)構(gòu)區(qū)域與均勻化區(qū)域的連接面采用了粘結(jié)接觸法；最后，在均勻化區(qū)域的另一端施加載荷，以進(jìn)行漸進(jìn)性損傷分析。

圖8　開(kāi)孔3DOLWC有限元模型的邊界條件

? ? ? 圖9為實(shí)驗(yàn)與模擬所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖?？傊?，無(wú)論是3DOLWC還是開(kāi)孔3DOLWC，數(shù)值模擬都能有效地捕捉到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所建立的有限元模型的合理性。

圖9　實(shí)驗(yàn)與模擬所得（a）3DOLWC和（b）開(kāi)孔3DOLWC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

? ? ? ?圖10和圖11分別為3DOLWC和開(kāi)孔3DOLWC的經(jīng)紗拉伸斷裂圖與最終損傷云圖。

圖10　3DOLWC的經(jīng)紗承載斷裂圖（a）宏觀斷裂（b）細(xì)觀斷裂（c）斷裂機(jī)理圖（d）基體損傷云圖（e）紗線縱向損傷云圖（f）紗線橫向損傷云圖。其中WPLD為經(jīng)紗縱向損傷，WPTD為經(jīng)紗橫向損傷，WFLD為緯紗縱向損傷,WFTD為緯紗橫向破損,MD為基質(zhì)損傷

圖11　開(kāi)孔直徑為6.3mm的3DOLWC經(jīng)紗承載斷裂圖（a）宏觀斷裂（b）細(xì)觀斷裂（c）斷裂機(jī)理圖（d）基體損傷云圖（e）紗線縱向損傷云圖（f）紗線橫向損傷云圖。

小結(jié)

? ? ? ?開(kāi)孔3DOLWC的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差僅為2%，預(yù)測(cè)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能有效地捕捉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；模擬的斷口形貌在關(guān)鍵處與實(shí)驗(yàn)斷口一致。因而，建立的宏-細(xì)觀有限元模型與連續(xù)損傷力學(xué)模型相結(jié)合，可以有效地預(yù)測(cè)開(kāi)孔3DOLWC的拉伸力學(xué)性能和破壞行為。

原始文獻(xiàn)：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? （感謝投稿）

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