三維縫合技術(shù)通過在層間引入縫線可顯著提高傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間性能，且由于縫合技術(shù)的低成本與可批量化制備使三維縫合復(fù)合材料在許多民用領(lǐng)域具有更為廣闊的應(yīng)用前景。最近十年內(nèi)，已有多名學(xué)者先后研究了縫合材料的拉伸、壓縮、剪切、彎曲、沖擊、層間斷裂等力學(xué)性能，然而縫合復(fù)合材料中的縫線參數(shù)（包括縫線體積分?jǐn)?shù)，細(xì)度、行距與針距等）對縫合復(fù)合材料力學(xué)性能影響較大，不同學(xué)者有時(shí)對同一參數(shù)下的研究甚至得到較大差異的結(jié)果。

近日，西安工程大學(xué)樊威教授團(tuán)隊(duì)采用實(shí)驗(yàn)和有限元方法系統(tǒng)研究了縫線直徑、針距對縫合復(fù)合材料I型層間斷裂行為影響。

文章基于多尺度建模思想建立縫合復(fù)合材料宏-細(xì)觀混合式多尺度有限元模型（圖1），詳細(xì)探討了針距及縫線直徑大小參數(shù)對三維縫合復(fù)合材料的I型層間斷裂性能的影響。

圖1 多尺度建模流程

圖2給出了不同針距參數(shù)下實(shí)驗(yàn)測試和有限元模擬計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)針距增加至超過某一閾值時(shí)，針距不能對復(fù)合材料的I型層間斷裂性能產(chǎn)生顯著影響；當(dāng)前后兩根縫線的針距不斷變小時(shí)，縫線對于層間斷裂韌性的影響愈發(fā)顯著。通過有限元模型中將兩根縫線無限接近時(shí)，此時(shí)的縫線接近于把兩根縫線合股，對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果接近直接增加一倍的縫線直徑。

圖2 不同針距參數(shù)下實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)果

圖3給出了有限元模擬結(jié)果中針距對復(fù)合材料I型斷裂行為影響的機(jī)理圖，在針距達(dá)到5 mm時(shí)，后一根縫線的應(yīng)力敏感點(diǎn)的應(yīng)力值僅有前一根的1.47%，7.5 mm和10 mm的百分比僅有0.01%不到。從（e）圖中可以清楚的看到當(dāng)縫線采用不同的針距時(shí)，模型中總存在一個(gè)明顯的應(yīng)力分布情況。在10 mm針距參數(shù)的模型中，后一根縫線的位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了中平面的夾縫點(diǎn)，所以這根縫線并未發(fā)揮明顯增強(qiáng)效果。

圖3 不同針距參數(shù)下的有限元模擬的模型應(yīng)力云圖

圖4給出了直徑對復(fù)合材料I型斷裂性能影響的實(shí)驗(yàn)測試和有限元計(jì)算結(jié)果。當(dāng)直徑不斷增加，斷裂性能會持續(xù)改善，這一點(diǎn)是顯而易見的；然而通過計(jì)算單根縫線的性能相對提升效率可以發(fā)現(xiàn)，隨著縫線直徑增加，縫線的提升效率其實(shí)是下降的，這些參數(shù)中1 K的增強(qiáng)是最顯著的。因此，通過研究發(fā)現(xiàn)，在保證縫線體積含量一致的前提下，使用較細(xì)的縫線能夠更加有效的提升縫合復(fù)合材料的層間性能。

圖4 不同直徑參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)和有限元的測試結(jié)果

為驗(yàn)證這一猜想，文章還通過拆分單根縫線的方式，探究了提升率是否可以通過縮減單根縫線直徑的方式提高。通過對比發(fā)現(xiàn)拆分縫線后有些結(jié)果是增強(qiáng)的而有些結(jié)果又是降低的，該現(xiàn)象可能是由于縫線數(shù)量增加會引起于伸直度不均勻而導(dǎo)致性能的下降。為此，本工作進(jìn)一步探究了縫線在成型過程中受到了模具的預(yù)壓力后彎曲的情況，發(fā)現(xiàn)過大的成型壓力（比如RTM和熱壓罐等工藝）會引起縫線的彎曲，不利于縫線發(fā)揮增強(qiáng)作用，從而導(dǎo)致縫合復(fù)合材料力學(xué)性能的下降。因此，縫線的屈曲度也是影響縫合復(fù)合材料力學(xué)性能的重要方面。

圖5 拆分單根縫線的實(shí)驗(yàn)和有限元的測試結(jié)果以及預(yù)壓處理的9 K試樣測試結(jié)果

綜上所述：

（1）針距對復(fù)合材料的影響與第一根紗的裂紋擴(kuò)展長度有關(guān)。當(dāng)針距小于第一根紗的裂紋擴(kuò)展長度時(shí)，第二根紗有利于承受DCB載荷下的張力應(yīng)力。反之，當(dāng)針距大于裂紋擴(kuò)展長度時(shí)，斷裂性能不受針距間距的影響。

（2）較粗的縫線可以顯著改善復(fù)合材料的I型層間斷裂行為。然而，較粗縫線效率的相對提高率小于較細(xì)縫線。

（3）將較粗的針跡紗線拆分成較細(xì)的紗線可以提高復(fù)合材料的斷裂載荷和斷裂韌性。然而，這種改進(jìn)需要保證縫線在復(fù)合材料內(nèi)部具有較高的伸直度。

該工作以“A Systematic Investigation for Mode-I Fracture Properties of Stitched Composites”為題發(fā)表在力學(xué)領(lǐng)域一區(qū)TOP期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（IF=6.772）。第一作者為西安工程大學(xué)劉濤副教授，共同第一作者為碩士研究生高原，通訊作者為樊威教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

原始文獻(xiàn)：Tao Liu, Yuan Gao, Xingzhong Gao, Ying Yao, Yao Lu, Wei Fan,?A systematic investigation for mode-I fracture properties of stitched composites,?International Journal of Mechanical Sciences,?Volume 241,?2023,?107982.原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740322008608

專注于復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域的知識創(chuàng)作與分享，國內(nèi)復(fù)合材料領(lǐng)域頗具影響力的技術(shù)交流平臺之一，第一時(shí)間更新復(fù)合材料方向基礎(chǔ)知識和前沿技術(shù)。所發(fā)布的前沿資訊、仿真案例、技術(shù)方法、代碼插件助力了無數(shù)學(xué)子專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)技能的提升，深受廣大學(xué)生群體及青年科技工作者喜愛。“強(qiáng)化基礎(chǔ)，聚焦前沿”，復(fù)合材料力學(xué)公眾平臺期待您的關(guān)注！

本文使用 文章同步助手 同步