三維編織復(fù)合材料彎曲性能研究進(jìn)展*

程燦燦 劉兆麟

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

三維編織復(fù)合材料彎曲性能研究進(jìn)展*

程燦燦1，2劉兆麟1，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海，201620;2.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201620)

總結(jié)三維編織復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試的主要方法，從理論預(yù)測(cè)與試驗(yàn)研究?jī)煞矫娼榻B三維編織復(fù)合材料彎曲性能的研究成果，比較不同預(yù)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，探討當(dāng)前工作存在的問(wèn)題，并對(duì)今后的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

三維編織復(fù)合材料，彎曲性能，測(cè)試方法，理論預(yù)測(cè)，試驗(yàn)研究

層合復(fù)合材料固有的層狀結(jié)構(gòu)使其易出現(xiàn)分層破壞，開裂敏感且裂紋擴(kuò)展速度快，層間剪切強(qiáng)度、沖擊韌性及損傷容限較低［1］，因此，設(shè)計(jì)三維整體預(yù)型件以克服層合板的缺陷倍受關(guān)注。

三維編織復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代為適應(yīng)航空航天部門對(duì)結(jié)構(gòu)和功能材料的需求而研發(fā)的一種先進(jìn)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)層合板的重大區(qū)別在于纖維貫穿長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向，形成高度整體化的空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效避免分層現(xiàn)象，沖擊韌性、損傷容限與抗疲勞特性優(yōu)異，結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)異形件的凈尺寸整體成型，有效保障構(gòu)件力學(xué)性能的穩(wěn)定性，在航空航天、國(guó)防軍工、交通、建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［2-4］。

實(shí)際工程應(yīng)用中，許多復(fù)合材料制件常常在彎曲載荷下工作，彎曲性能能夠全面反映復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此通過(guò)彎曲試驗(yàn)測(cè)試材料的彎曲性能顯得尤為重要。彎曲試驗(yàn)中，試件表面應(yīng)力最大，從而可以較靈敏地反映出表面缺陷情況，用于材料表面質(zhì)量的檢驗(yàn);與拉伸試驗(yàn)不同，彎曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響，從而可以精確測(cè)試出復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度;原材料選擇、性能比較以及質(zhì)量控制均可借助于彎曲試驗(yàn)［5］。因此，對(duì)三維編織復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試方法、彎曲性能理論預(yù)測(cè)及試驗(yàn)方面的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 復(fù)合材料彎曲性能的測(cè)試方法

復(fù)合材料彎曲性能的測(cè)試方法主要包括三點(diǎn)彎曲測(cè)試和四點(diǎn)彎曲測(cè)試兩種。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)［6］，彎矩從支撐點(diǎn)位置的零值線性增加至中央加載點(diǎn)的最大值，而剪力及中性面的層間剪切應(yīng)力則沿試件長(zhǎng)度方向均勻分布。由于三點(diǎn)彎曲加載比較符合實(shí)際應(yīng)用中試件的受力狀態(tài)，且操作簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用較為廣泛。

GB/T 1499—2005［7］推薦的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)采用無(wú)約束支持，以恒定加載速率使試樣破壞或達(dá)到預(yù)定的撓度值，測(cè)量施加的載荷及試樣撓度，可確定出彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量及彎曲應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系。加載上壓頭應(yīng)位于支座中間，且與支座軸線相平行。測(cè)定彎曲彈性模量及載荷—撓度曲線時(shí)，試驗(yàn)速度一般為2 mm/min。測(cè)量彎曲強(qiáng)度時(shí)，在撓度等于1.5倍試樣厚度下呈現(xiàn)破壞的材料，記錄最大載荷或破壞載荷，在撓度等于1.5倍試樣厚度下未破壞的材料，記錄該撓度下的載荷?？缇嗫砂丛嚇雍穸葥Q算得到:

式中:l——試驗(yàn)跨距;

h——試樣厚度。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置圖

四點(diǎn)彎曲［6］的試驗(yàn)裝置如圖2所示，可測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。四點(diǎn)加載下，彎矩從支撐點(diǎn)的零值線性地增大至加載點(diǎn)處的最大值，并在兩個(gè)加載點(diǎn)之間保持恒定，加載點(diǎn)之間的剪力和層間剪切應(yīng)力為零，試件中心段只受到純彎矩作用，因此從應(yīng)力狀態(tài)來(lái)看，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料的彎曲性能更為可取。

圖2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置圖

2 三維編織復(fù)合材料彎曲性能的理論預(yù)測(cè)

1999 年，Chen 等［8］在三單胞模型［9］基礎(chǔ)上，提出預(yù)測(cè)三維編織復(fù)合材料有效彈性性能的多相有限元法，并對(duì)三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值仿真。該方法基于變分原理，首先在三個(gè)不同的單胞區(qū)域劃分局部網(wǎng)格用于分析單胞的應(yīng)力—應(yīng)變，獲得各個(gè)區(qū)域的局部彈性性能，再用相對(duì)粗糙的全域網(wǎng)格獲得復(fù)合材料的宏觀應(yīng)力—應(yīng)變，最后對(duì)應(yīng)力進(jìn)行體積平均，從而計(jì)算出復(fù)合材料的等效彈性性能，三維編織復(fù)合材料的多相有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2001 年，楊萍等［10］采用局部/整體均勻化方法計(jì)算了三維編織碳纖維復(fù)合材料工字梁的工程常數(shù)，并利用MARC有限元軟件預(yù)測(cè)出彎曲性能。假設(shè)三維編織復(fù)合材料的彈性性能主要由內(nèi)部單胞決定，單胞則由沿四種取向相互交織的編織紗線和間隙間的基體材料組成，如圖4所示。首先從內(nèi)部單胞中取出一無(wú)限小單元，在面內(nèi)等應(yīng)變、面外等應(yīng)力基礎(chǔ)上，通過(guò)局部均勻化方法得出該無(wú)限小單元的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，再對(duì)整個(gè)單胞作面內(nèi)等應(yīng)力、面外等應(yīng)變假設(shè)，由整體均勻化方法獲得整個(gè)單胞的等效應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)而求出復(fù)合材料的等效工程常數(shù)。對(duì)工字梁彎曲性能的有限元分析結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在試件下緣下表面中部，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在試件上緣上表面中部，且最大拉應(yīng)力小于最大壓應(yīng)力;正應(yīng)力由梁中間向兩端逐漸遞減，而工字梁立肋位置的剪應(yīng)力最大;在工字梁上、下緣加入Z向紗線，立肋上編織紗線選取±45°取向角，可達(dá)到局部增強(qiáng)的效果。該方法考慮了編織結(jié)構(gòu)和編織紗線的幾何特性，改善了以往研究中需作大量假設(shè)，且忽略紗線幾何特性及交織結(jié)構(gòu)等因素的弊端。

圖3 多相有限元網(wǎng)絡(luò)劃分

圖4 內(nèi)部單胞模型

2003年，陳利等［11］基于經(jīng)典層合板理論和疊層板模型，提出了三維四向編織復(fù)合材料彎曲性能的一種預(yù)測(cè)方法。在疊層板模型中，代表性體積單元的厚度為編織復(fù)合材料的整體厚度，寬度為一個(gè)編織花節(jié)寬度，長(zhǎng)度為一個(gè)編織花節(jié)長(zhǎng)度，將體積單元簡(jiǎn)化為單向?qū)影宓寞B合結(jié)構(gòu)，不同層板間的交叉重疊按各層板性能的體積平均進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)假設(shè)代表性體積單元具有均勻的中面應(yīng)變和曲率。首先根據(jù)單向?qū)影宓募?xì)觀力學(xué)分析方法獲得單層板的三維應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，再依據(jù)層合板理論推導(dǎo)復(fù)合材料沿編織方向的彎曲模量。分析中考慮了編織紗線的排列方式以及表面紗線的影響，可以對(duì)三維四向編織復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行較精確的預(yù)測(cè)。

2004年，王波等［12］根據(jù)三維四向編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出用剛度合成法預(yù)測(cè)復(fù)合材料的彎曲模量。將試件分為上、下表面層和內(nèi)部層三部分，其中表面層由表面單胞和內(nèi)部單胞組成，內(nèi)部層則全部由內(nèi)部單胞構(gòu)成，試件截面如圖5所示。在等應(yīng)變條件下，通過(guò)坐標(biāo)變換計(jì)算出各類單胞的剛度矩陣及彈性性能，再根據(jù)單胞的構(gòu)成情況計(jì)算出各層的剛度矩陣與彈性性能，進(jìn)而預(yù)測(cè)整個(gè)試件的彈性模量。

圖5 試件截面圖

剛度合成法從三維編織復(fù)合材料的纖維束結(jié)構(gòu)出發(fā)，針對(duì)性強(qiáng)，預(yù)測(cè)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確。當(dāng)試件尺寸較大、內(nèi)部單胞數(shù)較多時(shí)，可以不考慮表面單胞和內(nèi)部單胞性能差異的影響，而認(rèn)為三維編織復(fù)合材料的彎曲模量只與內(nèi)部單胞有關(guān)，對(duì)工程分析和試件制作具有指導(dǎo)意義。

2008年，李典森等［13］采用改進(jìn)的剛度平均化方法，推導(dǎo)了三維四向和五向編織復(fù)合材料的彎曲模量。試件橫截面分為上、下表面層和內(nèi)部層三部分，表面層由沿寬度方向的表面單胞和棱角單胞組成，內(nèi)部層由沿厚度方向的表面單胞和內(nèi)部單胞構(gòu)成。首先分別求出三種單胞的剛度矩陣，得到三種單胞的縱向彈性模量，然后根據(jù)試件各層的胞體構(gòu)成情況，并通過(guò)體積比分別求解出內(nèi)部層和表面層的縱向彈性模量，最后即可推導(dǎo)出復(fù)合材料的彎曲模量。但本方法對(duì)彎曲模量的預(yù)測(cè)基于材料力學(xué)的假設(shè)，適用性尚需進(jìn)一步證明。

2009年，陳光偉等［14］以三維編織復(fù)合材料T型梁為研究對(duì)象，采用剛度體積平均法計(jì)算不同編織角下四、五和六向復(fù)合材料的彈性常數(shù)，并利用Patran/Nastran有限元軟件模擬出彎曲載荷的分布情況，分析纖維束交織結(jié)構(gòu)、編織角等參數(shù)對(duì)抗彎性能的影響。結(jié)果表明，三維多向編織復(fù)合材料的縱向彈性模量和泊松比隨編織角的增大而降低，而其他兩方向的彈性模量均有所增加，其中六向編織結(jié)構(gòu)較相同纖維體積含量的四、五向復(fù)合材料更加接近各向同性。彎曲載荷作用下，高應(yīng)力區(qū)位于T型梁肋板的中段、兩端及肋板和腹板連接段的根部，最大位移出現(xiàn)在梁中段區(qū)域。編織角相同時(shí)，三維六向試件的彎曲應(yīng)力和變形最小，編織角增加，彎曲變形減小，選用35°編織角的三維六向編織結(jié)構(gòu)有利于提高T型梁的承載安全性。本方法針對(duì)性強(qiáng)，模擬效果好，可為異型三維編織復(fù)合材料構(gòu)件細(xì)觀結(jié)構(gòu)的選型與參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

3 三維編織復(fù)合材料彎曲性能的試驗(yàn)研究

Yau等［15］對(duì)三維編織復(fù)合材料I型梁進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲測(cè)試，并與傳統(tǒng)層合板復(fù)合材料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在初始失效之前，I型梁的應(yīng)力與應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，為解釋三維編織復(fù)合材料的彎曲破壞機(jī)理和裂紋擴(kuò)展規(guī)律提供了依據(jù)。

王波等［16］采用三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試了三維四向編織復(fù)合材料的彎曲性能，并與材料的拉伸和壓縮性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，三維編織復(fù)合材料的彎曲模量可以通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲得，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)并不適于測(cè)試彎曲模量，兩種試驗(yàn)得到的彎曲強(qiáng)度差異不大;試件的彎曲模量和強(qiáng)度并不等于其拉伸和壓縮模量，彎曲強(qiáng)度也不同于拉伸和壓縮強(qiáng)度;材料內(nèi)部層的壓縮失效是試件破壞的主要原因。

李嘉祿等［17］采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法研究了碳纖維三維四向、五向編織復(fù)合材料的彎曲性能，分析編織角對(duì)彎曲性能的影響，并與層合復(fù)合材料進(jìn)行了對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，三維編織復(fù)合材料具有良好的彎曲力學(xué)性能，彎曲強(qiáng)度為829.03 MPa、彎曲模量可達(dá)67.5 GPa;編織角和編織結(jié)構(gòu)對(duì)彎曲性能有較大影響，隨著編織角的增大，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和模量均減小;三維五向結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度和模量均高于四向結(jié)構(gòu);在纖維體積含量相近的情況下，通過(guò)對(duì)編織角的設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)三維編織復(fù)合材料的性能。

張?。?8］利用聲發(fā)射技術(shù)分析比較了L形和矩形截面三維編織復(fù)合材料的彎曲性能，并評(píng)價(jià)了交接區(qū)域細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)彎曲性能的影響。L形截面復(fù)合材料的彎曲損傷過(guò)程可分為初始損傷、損傷過(guò)渡、嚴(yán)重?fù)p傷和整體失效四個(gè)階段，表現(xiàn)為涵蓋了基體破壞、界面開裂、纖維斷裂等各種方式的復(fù)合型破壞，其中以基體和界面破壞為主導(dǎo)，而纖維斷裂數(shù)量很少。由于交接區(qū)域的特殊細(xì)觀結(jié)構(gòu)，L形試件會(huì)在較低載荷下于交接區(qū)域發(fā)生界面脫黏和基體開裂，彎曲破壞極限載荷比矩形復(fù)合材料偏低，由于交接區(qū)域中大部分紗線的編織角小于矩形截面的紗線編織角，因此初始模量略高。

李典森等［19］針對(duì)不同編織角、不同纖維體積含量、不同編織結(jié)構(gòu)的三維編織T300/環(huán)氧復(fù)合材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，獲得其主要的彎曲力學(xué)性能，并分析了不同工藝參數(shù)對(duì)彎曲性能的影響。對(duì)試件斷口進(jìn)行宏觀及掃描電鏡觀察，從宏、細(xì)觀角度研究了材料的變形及其破壞機(jī)理。結(jié)果表明，三維編織T300/環(huán)氧復(fù)合材料具有良好的彎曲力學(xué)性能，彎曲載荷－撓度曲線呈現(xiàn)明顯的線性特征;彎曲強(qiáng)度和模量隨編織角的增大而減小，隨纖維體積含量的減小而降低;三維五向編織復(fù)合材料的彎曲力學(xué)性能比三維四向編織復(fù)合材料顯著提高，但脆性也明顯增加;三維編織復(fù)合材料的彎曲破壞機(jī)理與拉伸、壓縮破壞機(jī)理不同，且隨編織工藝參數(shù)的不同也有區(qū)別。

4 研究現(xiàn)狀與展望

目前，三維編織復(fù)合材料彎曲性能研究中存在的不足以及有待進(jìn)一步深入的研究方向有:

(1)三維編織復(fù)合材料彎曲性能的測(cè)試方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大多參考層合復(fù)合材料的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，而層合復(fù)合材料的試驗(yàn)方法是否適用于三維編織復(fù)合材料則很少被細(xì)致研究。

(2)現(xiàn)有的力學(xué)模型大多忽略了紗線屈曲，紗線截面變形以及纖維束交叉處的相互作用等因素，多數(shù)模型的通用性與完整性較差［20］。

(3)三維編織復(fù)合材料彎曲性能理論模型的建立除了結(jié)合準(zhǔn)確的試驗(yàn)測(cè)試和分析結(jié)果之外，還需強(qiáng)有力的數(shù)值模擬手段。近年來(lái)的研究趨于應(yīng)用均勻化理論，采用多尺度分析方法求解非線性問(wèn)題，而目前的多尺度數(shù)值模擬方法與工程應(yīng)用有一定距離，需要繼續(xù)深入研究［20］。

(4)有關(guān)三維編織復(fù)合材料彎曲性能的試驗(yàn)研究仍然不是很充分，還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)研究其變形和破壞規(guī)律，為深入描述三維編織復(fù)合材料的彎曲行為，分析失效機(jī)理奠定基礎(chǔ)［21］。

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Progress in research on flexural properties of 3D braided composites

Cheng Cancan1，2，Liu Zhaolin1，2
(1.College of Textiles，Donghua University;2.Key Lab of Textile Science＆ Technology Ministry of Education)

A general review of test methods，theoretical analysis and experimental researches on the flexural properties of 3D braided composites was given in this paper.Advantages and disadvantages of various theoretical researches were compared.Main problems in the present study were discussed and further development trends were prospected.

3D braided composite，flexural property，test method，theoretical analysis，experimental research

TB332

A

1004－7093(2012)04－0001－05

*東華大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新資助(BC201015)

2011－03－21

程燦燦，女，1987年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)槿S編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。