三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料剪切性能有限元分析

馮古雨 曹海建,2 王新月 盧雪峰 錢(qián) 坤

(1 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，無(wú)錫 214122)(2 南通大學(xué)，紡織服裝學(xué)院，南通 226019)

· 計(jì)算材料學(xué) ·

三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料剪切性能有限元分析

馮古雨1曹海建1,2王新月1盧雪峰1錢(qián) 坤1

(1 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，無(wú)錫 214122)(2 南通大學(xué)，紡織服裝學(xué)院，南通 226019)

文 摘 使用三維繪圖軟件Pro/E 5.0 構(gòu)建出一種三層角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，借助有限元軟件ANSYS對(duì)復(fù)合材料在剪切力作用下纖維與樹(shù)脂的應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并借此分析該復(fù)合材料在剪切作用下的力學(xué)行為，并預(yù)測(cè)復(fù)合材料破壞模式。結(jié)果表明：復(fù)合材料在剪切力作用下發(fā)生沿剪切力方向程度較均勻的剪切變形；纖維相對(duì)于樹(shù)脂承受更多剪切力作用，產(chǎn)生更大應(yīng)力，但發(fā)生相對(duì)較小的應(yīng)變；纖維中軸向與剪切力方向平行的經(jīng)紗相對(duì)軸向垂直于剪切力的緯紗表現(xiàn)出更大的應(yīng)力和應(yīng)變。

有限元分析，角聯(lián)鎖，三維機(jī)織復(fù)合材料，剪切性能

0 引言

三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料是一種以工程纖維為原料，采用特殊的織造工藝制備出的三維角聯(lián)鎖機(jī)織物作為預(yù)制體，以環(huán)氧樹(shù)脂做為基體制備出的復(fù)合材料[1-3]。相比于層合板結(jié)構(gòu)和二維機(jī)織物層鋪增強(qiáng)復(fù)合材料，三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制體是由伸直的緯紗及彎曲的上下包纏緯紗的經(jīng)紗組成的[4-5]。預(yù)制體中彎曲的經(jīng)紗不僅固定了緯紗的位置，其在復(fù)合材料厚度方向上的分量增強(qiáng)了復(fù)合材料在厚度方向的力學(xué)性能[6]。三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在厚度方向上表現(xiàn)出更好的剪切強(qiáng)度、耐沖擊分層等性能，使其在建筑、交通、國(guó)防、航天航空等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[7-9]。

剪切載荷是復(fù)合材料在應(yīng)用中較為常見(jiàn)的載荷作用，在剪切載荷作用下復(fù)合材料容易發(fā)生錯(cuò)位變形、撕裂、分層等現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)合材料的失效等問(wèn)題[10-11]。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，有限元模擬的方法可以得到更加詳細(xì)的復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變分布情況，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的分析出復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體的相互協(xié)同作用機(jī)理，復(fù)合材料中應(yīng)力集中點(diǎn)的分布情況，并可以對(duì)其破壞模式進(jìn)行預(yù)測(cè)[12-15]。

本文通過(guò)Pro/E 5.0軟件構(gòu)建出的三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料模型，借助有限元分析軟件ANSYS模擬計(jì)算該復(fù)合材料在10 kN剪切載荷作用下纖維與樹(shù)脂中應(yīng)力、應(yīng)變的分布情況，并以此分析復(fù)合材料在剪切作用下的力學(xué)行為。根據(jù)其分布情況判斷復(fù)合材料中各組分相互協(xié)同作用關(guān)系，并對(duì)復(fù)合材料剪切性能及破壞機(jī)理進(jìn)行細(xì)觀分析。

1 建立模型

1.1 基本假設(shè)

由于復(fù)合材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)由纖維與樹(shù)脂相互結(jié)合組成，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建立模型時(shí)完全還原復(fù)合材料內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)的難度較大，故在建立模型前作出如下假設(shè)以降低建模難度，并減少計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的工作量[16]。

(1)在纖維間存在擠壓的狀態(tài)下假設(shè)經(jīng)緯紗橫截面為跑道型，如圖1所示；縱向?yàn)檫B續(xù)的單纖維長(zhǎng)絲，且纖維長(zhǎng)絲為各向同性。

(2)樹(shù)脂基體完美地填充在經(jīng)緯紗之間，復(fù)合材料界面性能完美，樹(shù)脂基體中沒(méi)有任何的泡孔。

(3)在復(fù)合材料的成型過(guò)程中，纖維的力學(xué)性能并沒(méi)有受到影響，預(yù)制體的形狀和結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生改變。

1.2 建立模型

使用繪圖軟件Pro/E中掃描功能，根據(jù)經(jīng)緯紗橫截面及其軌跡建立出經(jīng)緯紗系統(tǒng)，如圖2(a)所示。將樹(shù)脂塊中纖維的部分切除形成纖維與樹(shù)脂相切的結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示通過(guò)裝配功能將纖維與樹(shù)脂裝配在一起形成復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，如圖2(c)所示。

圖2 復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型

Fig.2 Micro-structural model of 3D composites

建立出的復(fù)合材料中經(jīng)紗間距為3.33 mm，緯紗間距為3 mm；復(fù)合材料長(zhǎng)度為51 mm，寬度15 mm，高度2.625 mm。

2 模擬計(jì)算

2.1 材料參數(shù)

假設(shè)復(fù)合材料細(xì)觀模型中纖維組分為E-glass無(wú)捻玻璃纖維粗砂，樹(shù)脂基體為環(huán)氧樹(shù)脂，在ANSYS軟件中的Engineering Date 中分別設(shè)置兩種材料的基本性能參數(shù)，如表1所示。

表1 復(fù)合材料單胞模型材料參數(shù)

2.2 劃分網(wǎng)格

在ANSYS中將復(fù)合材料細(xì)觀模型中的經(jīng)緯紗通過(guò)布爾運(yùn)算連接為一個(gè)整體，在分析中將預(yù)制體作為一個(gè)受力整體進(jìn)行分析。

在ANSYS軟件中網(wǎng)格劃分形式大致可以分為自動(dòng)網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分、使用四面體網(wǎng)格劃分、使用六面體網(wǎng)格劃分幾種。本文使用尺寸為0.5 mm的六面體網(wǎng)格對(duì)復(fù)合材料細(xì)觀模型進(jìn)行掃略劃分，在相同的計(jì)算精度下，六面體網(wǎng)格可以使用最少的網(wǎng)格數(shù)量得到精確度相同的結(jié)果，從而減少了模擬計(jì)算的時(shí)間。劃分后的復(fù)合材料細(xì)觀模型如圖3所示，纖維增強(qiáng)體由48 258個(gè)元件構(gòu)成，樹(shù)脂基體由106 436個(gè)元件構(gòu)成。

2.3 設(shè)定邊界條件

本文以普通周期循環(huán)邊界條件為基礎(chǔ)，設(shè)定剪切載荷作用下復(fù)合材料細(xì)觀模型的邊界條件。對(duì)復(fù)合材料的底面設(shè)置Fixed Support 完全固定約束，在與固定面相對(duì)的面上施加方向沿復(fù)合材料經(jīng)紗軸向，大小為10 kN的Force載荷。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合材料剪切性能

三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的剪切應(yīng)力及應(yīng)變分布情況如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料剪切應(yīng)力-應(yīng)變分布云圖

Fig.4 Cloud picture of shear stress & strain distribution of 3D composites

由圖4可以看出，在10 kN剪切載荷的作用下，復(fù)合材料的剪切面沿剪切力方向發(fā)生剪切移動(dòng)，且原本平滑的表面沿緯紗方向發(fā)生凸起或凹陷；復(fù)合材料剪切面左側(cè)翹起，右側(cè)下陷。復(fù)合材料最大剪切應(yīng)力為224.38 MPa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.244 2%。

由于復(fù)合材料在承受載荷作用時(shí)由纖維增強(qiáng)體與樹(shù)脂基體共同承受載荷作用，單純對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)行為分析較為簡(jiǎn)單，且無(wú)法更加深入地對(duì)復(fù)合材料中各組分的受力作用機(jī)理及破壞模式等內(nèi)容進(jìn)行研究。因此，為了更好地研究復(fù)合材料在剪切載荷作用下的力學(xué)行為，將纖維與樹(shù)脂分開(kāi)，考察其各自的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。

3.2 復(fù)合材料中各組分剪切性能

復(fù)合材料中纖維與樹(shù)脂組分的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況如圖5所示。

圖5 復(fù)合材料中各組分應(yīng)力-應(yīng)變分布云圖

Fig.5 Cloud picture of shear stress & strain distribution of 3D composites components

由圖5可以看出，纖維最大剪切應(yīng)力為224.38 MPa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.779 55%，樹(shù)脂基體最大剪切應(yīng)力為155.53 MPa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.244 2%。由此分析可以得出，復(fù)合材料在承受剪切載荷作用時(shí)，纖維作為主要承載體相比于樹(shù)脂基體承受更多載荷的作用，表現(xiàn)出更大的剪切應(yīng)力；樹(shù)脂基體作為次要承載體承受較小的載荷作用，但由于其較小的楊氏模量和較大的泊松比，樹(shù)脂基體在承受載荷作用時(shí)更容易發(fā)生形變，因此樹(shù)脂基體相較于纖維發(fā)生更大的變形，表現(xiàn)出更大的剪切應(yīng)變。

由圖5(a)(b)可以看出，原本軸心在一個(gè)垂直面上的緯紗在剪切力作用下發(fā)生了不同程度的偏移，這種偏移程度的差異導(dǎo)致了復(fù)合材料在剪切載荷作用下產(chǎn)生了分層破壞。纖維軸向平行于剪切載荷方向的經(jīng)紗相比于載荷方向垂直于載荷方向的緯紗表現(xiàn)出更大的剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變，這說(shuō)明相比于軸向垂直于載荷方向的纖維，軸向平行于剪切方向的纖維承受更多的載荷作用，更容易發(fā)生破壞。相比于經(jīng)紗之間與緯紗之間，其應(yīng)力、應(yīng)變分布的差異并不明顯，這說(shuō)明角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在剪切載荷作用下發(fā)生的破壞及形變是比較均勻的，并沒(méi)有特別明顯的應(yīng)力集中點(diǎn)的出現(xiàn)，復(fù)合材料的整體性較好。

由圖5(b)(d)對(duì)比可知，三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在剪切載荷作用下發(fā)生傾倒、坍塌等現(xiàn)象，并產(chǎn)生分層的趨勢(shì)，其破壞形式主要為纖維的斷裂、樹(shù)脂的破碎及纖維與樹(shù)脂間的脫粘。復(fù)合材料中纖維與樹(shù)脂的應(yīng)變分布情況存在差異，說(shuō)明復(fù)合材料在承受剪切載荷作用時(shí)，兩種組分間變形程度不同，樹(shù)脂發(fā)生更大的變形。這種變形程度的差異是復(fù)合材料表面出現(xiàn)沿緯紗方向凸起與凹陷的原因；同時(shí)，這種差異說(shuō)明在剪切載荷下復(fù)合材料的界面會(huì)產(chǎn)生一定程度的破壞，纖維與樹(shù)脂間會(huì)出現(xiàn)脫粘的破壞形式。

4 結(jié)論

(1)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在剪切力作用下發(fā)生沿剪切力方向的變形，且產(chǎn)生較為均勻的剪切應(yīng)力。

(2)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料中纖維組分相比于樹(shù)脂基體承受更多載荷的作用，表現(xiàn)出更大的剪切應(yīng)力和較小的剪切應(yīng)變。

(3)軸向平行于剪切方向的經(jīng)紗相比于軸向垂直于剪切方向的緯紗承受更多載荷作用，發(fā)生更加嚴(yán)重的變形，更容易被破壞。

(4)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在剪切載荷作用下發(fā)生傾倒、坍塌等現(xiàn)象，并產(chǎn)生分層的趨勢(shì)，其破壞形式主要為纖維的斷裂、樹(shù)脂的破碎及纖維與樹(shù)脂間的脫粘。

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Finite Element Analysis of 3D Angle Interlock Woven Composites on Shear Property

FENG Guyu1CAO Haijian1,2WANG Xinyue1LU Xuefeng1QIAN Kun1

(1 Key Laboratory of Eco-Textile of Ministry of Education,Jiangnan University ,Wuxi 214122)(2 College of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong 226019)

A structural model of three layers angle interlock woven composites, was built by mapping software Pro/Engineer. The distribution of stress & strain on fibers, resin and 3D composites, was simulated and discussed, under shear loading using finite element software ANSYS Workbench. And the failure mode of composites was analyzed. The results show that, uniform shear deformation on the shear direction occur in the composites. The main loads were supported by reinforced fibers and the minor loads were supported by matrix resin. Compared warp yarns to weft yarns, warp yarns axial direction parallel to shear direction show larger stress and strain than those axial direction perpendicular to shear direction.

Finite element analysis，Angle interlock，3D woven composites，Shear property

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51302110);江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014023-15、BY2014023-14);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(JUSRP41501)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0303205)

馮古雨,1992年出生，博士研究生，主要從事紡織復(fù)合材料的制備及性能研究。E-mail：fengguyu890@163.com

錢(qián)坤，博士，教授,主要從事輕量化復(fù)合材料的制備及應(yīng)用。E-mail：qiankun_8@163.com

TB332

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.004