三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的沖擊破壞有限元模擬分析

馬 倩，王 可，金利民

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2. 中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204；3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；4. 武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點實驗室，湖北 武漢 430200)

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三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的沖擊破壞有限元模擬分析

馬 倩1，王 可1，金利民2，3，4

(1. 鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，江蘇 鹽城 224005；2. 中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204；3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；4. 武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點實驗室，湖北 武漢 430200)

為研究層層接結(jié)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的抗高速沖擊性能，以指導(dǎo)抗沖擊材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元分析的方法，計算此材料在具有不同入射速度彈體沖擊下的動態(tài)響應(yīng)。通過對比各種沖擊條件下彈體的速度與時間曲線、加速度與時間曲線、材料漸進(jìn)破壞擴(kuò)展及最終破壞形態(tài)等的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沖擊過程中，彈體的速度變化可被劃分成2個階段；彈體的加速度波動情況可直接反映復(fù)合材料靶體吸收彈體動能的動態(tài)規(guī)律；此外，經(jīng)紗發(fā)生波浪狀屈曲的區(qū)域是該類材料的重要結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)在設(shè)計抗沖擊型三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料時進(jìn)行局部強(qiáng)化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

三維角聯(lián)鎖；復(fù)合材料；高速沖擊；有限元分析

目前，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、力學(xué)性能突出等一系列優(yōu)點的三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料已得到日益廣泛的研究與應(yīng)用[1-3]。其中，三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料也因其較為顯著的力學(xué)性能優(yōu)勢，得到了越來越多的關(guān)注。

在三維角聯(lián)鎖機(jī)織結(jié)構(gòu)中，通過經(jīng)紗與緯紗這2個紗線系統(tǒng)的相互纏繞和交織，形成了穩(wěn)定而堅固的織物結(jié)構(gòu)。根據(jù)經(jīng)、緯交織層數(shù)的不同種類，又可進(jìn)一步地細(xì)化為層層接結(jié)、貫穿接結(jié)2種角聯(lián)鎖機(jī)織結(jié)構(gòu)，分別被賦予了各自的性能與優(yōu)勢[4-5]，且可在工程實際應(yīng)用中根據(jù)需要來研究經(jīng)緯紗的排列規(guī)律，設(shè)計不同的三維角聯(lián)鎖組織結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)特定的工程應(yīng)用條件，體現(xiàn)了該種織物的結(jié)構(gòu)多樣化與多功能性[6-8]。在這種情況下，以三維角聯(lián)鎖機(jī)織物作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，同時以高性能樹脂作為復(fù)合材料的基體相制作而成的復(fù)合材料則自然具有了很好的力學(xué)性能，在各種力學(xué)工況中都顯示出較為突出的優(yōu)勢[9-11]。鑒于三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的抗分層能力，其也被廣泛地應(yīng)用于抗沖擊領(lǐng)域，通過考察這類材料在高速沖擊載荷條件下的破壞與吸能行為，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計可應(yīng)用于抗高速沖擊領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[12-14]。盡管如此，現(xiàn)有文獻(xiàn)中對三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在高速沖擊條件下破壞機(jī)制的闡述仍不夠完善與深入。

本文運用有限元分析的方法，在“紗線-樹脂”尺度的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型上計算一種層層接結(jié)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在具有不同初始速度(500、600、800 m/s)彈體的沖擊下的破壞行為。對比分析以上3種不同沖擊速度情況下彈速的變化歷程、彈體加速度的變化歷程、材料漸進(jìn)破壞擴(kuò)展過程以及材料最終的破壞形態(tài)等指標(biāo)，闡述此類結(jié)構(gòu)材料的抗高速沖擊力學(xué)行為，以期為抗沖擊三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 材料與模型

1.1 材 料

本文研究的復(fù)合材料由層層接結(jié)三維角聯(lián)鎖機(jī)織物增強(qiáng)體與不飽和聚酯樹脂基體所構(gòu)成。選用的三維角聯(lián)鎖機(jī)織物由南京玻璃纖維研究院提供，基體是由亞什蘭復(fù)合材料聚合物集團(tuán)生產(chǎn)的一種熱固性樹脂，即聚酯樹酯AROPOLTMINF 80501-50。增強(qiáng)體、基體以及彈體的材料規(guī)格見表1。

表1 增強(qiáng)體、基體與彈體的材料規(guī)格Tab.1 Specifications of reinforcement, matrix and projectile

圖1為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。作為復(fù)合材料增強(qiáng)相的三維角聯(lián)鎖機(jī)織結(jié)構(gòu)由經(jīng)紗和緯紗構(gòu)成。緯紗平行排列，經(jīng)紗則沿著材料的厚度方向襯入，形成對材料整體的束縛作用，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。再經(jīng)由樹脂基體的固化作用，形成堅固的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

圖1 層層接結(jié)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的細(xì)觀模型圖Fig.1 Micro-structural model of layer-to-layer 3-D angle-interlock woven composite

1.2 有限元模型

通過ABAQUS有限元分析軟件，Windows XP 32位版本操作系統(tǒng)，建立三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料與球形彈體沖擊系統(tǒng)的有限元模型，如圖2所示。模型中，3種沖擊條件下的彈體初始速度分別為500、600、800 m/s，復(fù)合材料的左、右兩端面被完全固定(見圖2(a))。系統(tǒng)的網(wǎng)格化結(jié)果如圖2(b)所示，網(wǎng)格的劃分原則主要是考慮其對有限元計算結(jié)果精確性的影響。根據(jù)模型大小合理確定網(wǎng)格格距，特別是在形狀不太規(guī)則的復(fù)合材料樹脂基體的短邊、尖銳的邊角等處劃分較多較細(xì)的網(wǎng)格，以此保證網(wǎng)格的合理精細(xì)度以及計算的精度。

模型中的各部件性能參數(shù)設(shè)置中，織物增強(qiáng)體、樹脂基體以及彈體的參數(shù)列于表1。由于本文研究所關(guān)注的主要分析對象為復(fù)合材料靶體，故將彈體設(shè)為在沖擊過程前后無任何變形的剛體。

圖2 三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料沖擊系統(tǒng)的有限元模型Fig.2 Finite element model for impact system of 3-D angle-interlock woven composite. (a) Impact system; (b) Mesh scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 速度與時間關(guān)系曲線

圖3 彈體速度與時間關(guān)系曲線Fig.3 Velocity vs. time curves. (a) Different impact velocity; (b) Part of curve at 500 m/s impact velocity

圖3示出各種不同沖擊情況下的彈速與時間關(guān)系曲線。從圖中可看出，彈體在沖擊過程中，其速度的變化可劃分為2個階段。

第1階段：彈速急降階段。彈體與復(fù)合材料表面發(fā)生接觸的瞬間至彈體貫穿材料(初始彈速較大時，800 m/s與600 m/s)，或未能擊穿，彈體速度降為0而被靶體捕獲(初始彈速較小時，即500 m/s)，當(dāng)彈體與復(fù)合材料表面發(fā)生侵徹作用后，材料即進(jìn)入破壞階段。此刻，沖擊應(yīng)力波沿樹脂以及經(jīng)、緯2個系統(tǒng)紗線的延伸方向上以一定的應(yīng)力波速在材料內(nèi)部迅速擴(kuò)展，從而將高速沖擊載荷迅速傳遞到復(fù)合材料靶體的整體結(jié)構(gòu)。應(yīng)力波速根據(jù)下式計算[15]。

式中：c為應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播速度；E為高應(yīng)變率下介質(zhì)的彈性模量；ρ為介質(zhì)的密度。

當(dāng)彈體逐步侵徹至織物增強(qiáng)體后，由于在彈體前進(jìn)的路徑上分布著一定數(shù)量的紗線增強(qiáng)體，使得彈體所受阻力也急劇加大。當(dāng)各紗線達(dá)到最大斷裂強(qiáng)度后即發(fā)生斷裂失效，進(jìn)而吸收大量的彈體動能。以上因素導(dǎo)致彈速急劇下降。

第2階段：彈速平穩(wěn)階段。此階段中，對于初始彈速足夠大(800、600 m/s)的情況，由于彈體的初始動能較大，令其可擊穿復(fù)合材料靶體并且以一定的剩余速度(800、600 m/s初始彈速時，剩余速度分別為163.2、1.8 m/s)射出。因彈體不再受其他任何外在作用力，故其速度保持平穩(wěn)。當(dāng)彈體的速度不夠大(500 m/s)時發(fā)現(xiàn)，彈體的速度下降為0后，即因彈體的初始動能較小而未能擊穿復(fù)合材料靶體，反而被靶體所捕獲。此時，由于復(fù)合材料靶體具有一定的彈性回復(fù)效應(yīng)，故而反彈彈體使之在復(fù)合材料靶體內(nèi)部發(fā)生持續(xù)一段時間的小幅度振動(見圖3(b))。

2.2 加速度與時間關(guān)系曲線

彈體的加速度變化規(guī)律可直觀反映侵徹過程中其承受復(fù)合材料靶體反作用力的變化情況。圖4示出各沖擊情況下彈體的加速度與時間關(guān)系曲線。

圖4 彈體加速度與時間關(guān)系曲線Fig.4 Acceleration-time curves

從圖4中可看出，對應(yīng)于不同的初始彈速，加速度曲線皆出現(xiàn)了類似的屈曲波動現(xiàn)象。出現(xiàn)如此波動現(xiàn)象的原因是：一方面，由于高速沖擊情況下，三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料靶板耗散、吸收沖擊能量的主要表現(xiàn)是樹脂基體與纖維增強(qiáng)體的開裂及斷裂失效。當(dāng)二者因高能沖擊作用達(dá)到各自的失效閾值而破壞時，即對彈體造成較大的阻力，從而在加速度曲線圖上出現(xiàn)了對應(yīng)的峰值。實際情況中，在彈體侵徹復(fù)合材料的過程中，連續(xù)不斷地發(fā)生彈體與樹脂基體、彈體與纖維增強(qiáng)體的相互作用，樹脂基體與纖維增強(qiáng)體皆發(fā)生了連續(xù)的破壞與斷裂失效，從而使得加速度曲線圖上出現(xiàn)一連串的峰值；另一方面，相比于樹脂基體，紗線增強(qiáng)體的力學(xué)性能明顯更好，可吸收更多的沖擊能量，因而是復(fù)合材料的主要承力組分，故當(dāng)彈體侵徹紗線部分時會承受較大的阻力，當(dāng)紗線達(dá)到最大失效強(qiáng)力而發(fā)生斷裂時，此時彈體所受的阻力最大，其加速度也隨之出現(xiàn)更為明顯的峰值。

圖5 材料漸進(jìn)破壞形態(tài)Fig.5 Progressive damage morphologies of composite subjected to impact loading

圖6 復(fù)合材料沖擊破壞形態(tài)Fig.6 Damage morphology of composite undergoing impact loading. (a) Surface; (b) Cross-section

此外在圖4中還可發(fā)現(xiàn)，彈體初始速度越大，其加速度峰值也越大。這是由于彈體速度越高，其在單位時間內(nèi)侵徹的基體或增強(qiáng)體的量也越大，得到的反作用力也就越強(qiáng)烈，故加速度峰值也越大。

2.3 破壞形態(tài)

為說明三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在高速沖擊下的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，以有利于抗沖擊復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有必要考察復(fù)合材料靶體的漸進(jìn)破壞擴(kuò)展的情況。圖5示出復(fù)合材料在不同沖擊情況下，不同沖擊時刻點的破壞形態(tài)。

從圖5可看出，對于三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料，樹脂與纖維的開裂、纖維的抽拔與斷裂為其主要的破壞模式。此外，彈體沖擊軌跡上的材料破壞特別劇烈，應(yīng)力波主要是沿著紗線的延伸方向，尤其是沿著經(jīng)紗的長度方向傳播，且以較高的速度向材料結(jié)構(gòu)的其他區(qū)域擴(kuò)散，從而有利于復(fù)合材料的整體承力，如圖6所示。

此現(xiàn)象與文獻(xiàn)[16]所描述的具有相似經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)的三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的彈道沖擊破壞模式一致。

為探究材料在高速沖擊下的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域，以便于抗沖擊材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，圖7示出三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在不同彈速下的最終破壞形態(tài)。從圖中可清楚觀察到非直接受彈體沖擊區(qū)域的裂紋(圖中箭頭指示處)。這些區(qū)域都位于靠近經(jīng)紗上發(fā)生波浪狀屈曲部位的基體上。由此可推斷，由于應(yīng)力波主要是沿著經(jīng)紗的長度方向進(jìn)一步擴(kuò)展，此外還鑒于此結(jié)構(gòu)類型材料的應(yīng)力集中效應(yīng)，最易發(fā)生開裂破壞的區(qū)域即位于上述各部位，故在設(shè)計抗沖擊三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料時，應(yīng)特別注重此類效應(yīng)，可采用局部加強(qiáng)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法來強(qiáng)化材料的力學(xué)性能。

圖7 最終破壞形態(tài)Fig.7 Ultimate damage morphology of composite

3 結(jié) 論

1)三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料在高速沖擊過程中，彈體速度的變化主要經(jīng)歷2個階段，即彈速急降階段與彈速平穩(wěn)階段，由沖擊過程中樹脂與增強(qiáng)體的破壞規(guī)律所決定。

2)彈體加速度的波動規(guī)律是彈體承受靶體反作用力的直接體現(xiàn)，因此可直接反映靶體的吸能與破壞規(guī)律。

3)對于三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料，樹脂與纖維的開裂、纖維抽拔與斷裂為其主要的破壞模式。此外，應(yīng)力波主要是沿著經(jīng)紗的長度方向傳播，以較高的速度向材料結(jié)構(gòu)的其他區(qū)域擴(kuò)散，從而有利于復(fù)合材料的整體承力。

4)經(jīng)紗發(fā)生波浪狀屈曲的區(qū)域是三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料的重要結(jié)構(gòu)部位。在設(shè)計抗沖擊三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料時，應(yīng)特別注重這點，可采用局部加強(qiáng)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法強(qiáng)化材料的性能。

FZXB

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Modeling analysis on impact damage of 3-D angle-interlock woven composite based on finite element

MA Qian1, WANG Ke1, JIN Limin2，3,4

(1.CollegeofTextileandClothing,YanchengVocationalInstituteofIndustryTechnology,Yancheng,Jiangsu224005,China; 2.ShanghaiInstituteofAppliedPhysic,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201204,China; 3.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 4.HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTextileMaterials&Application,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430200,China)

In order to study high-velocity impact resistance of a 3-D angle-interlock woven composite (3DAWC) and guide the structural design of impact resistance materials, the dynamic mechanical responses of such composite subjected to the ballistic impact at serious striking velocities (500 m/s, 600 m/s and 800 m/s) were calculated by finite element analysis. By comparatively analyzing the velocity-time curves and acceleration-time curves of the projectiles with different striking velocities, as well as the progressive damage evolution and ultimate damage morphologies of composite targets, it is found that the velocity degradation process of the project can be divided into 2 stages. The fluctuation in acceleration can directly indicate the dynamic absorption law of 3DAWC target on kinetic energy of projectile. In addition, the bent regions in warp yarns are key structural parts for 3DAWC. Such local regions, therefore, should be strengthened and performed structural optimization for the design of impact-resistance type of 3DAWC.

three-dimensional angle interlock; composite; high-velocity impact; finite element analysis

10.13475/j.fzxb.20160805206

2016-08-24

2017-01-25

江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師境外研修計劃項目(蘇教師(2014)24號)；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目(PPZY2015C254)；江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃資助項目(蘇教科(2015)4號)；生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué))開放課題(KLET1505)；湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點實驗室(武漢紡織大學(xué))開放課題(Fzxcl2017001)

馬倩(1987—)，女，講師，碩士。主要研究方向為紡織復(fù)合材料。金利民，通信作者，E-mail: lmjin@sinap.ac.cn。

TS 101.2

A