蜂窩狀三維整體機織復合材料的彎曲性能及其有限元模擬

呂麗華， 黃耀麗， 崔婧蕊

(大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034)

蜂窩狀三維整體機織復合材料的彎曲性能及其有限元模擬

呂麗華， 黃耀麗， 崔婧蕊

(大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院， 遼寧 大連 116034)

為解決蜂窩狀復合材料在黏合壓制過程中整體性差的問題，經(jīng)合理設計在普通織機上織造截面為三角形的蜂窩狀三維機織物，并采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝將蜂窩狀三維機織物制備成復合材料。通過實驗和Abaqus有限元模擬的方法，對比分析材料在不同加載速度下的載荷-位移曲線、最大載荷-速度曲線、最大吸能及破壞模式。結果表明，實驗方法和有限元模擬得到的結果具有很好的統(tǒng)一性。使用模型可預測截面為三角形蜂窩狀三維機織復合材料的力學性能，為高沖擊損傷容限的蜂窩狀三維機織復合材料優(yōu)化設計提供理論參考。

蜂窩狀； 三維機織結構； 彎曲性能； 真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝； 有限元模擬

傳統(tǒng)蜂窩狀復合材料大都是將平面材料通過鋪層的方式黏合并壓制定型而成。雖然制作方法簡單，但構件整體性較差，黏接處易發(fā)生破裂[1-2]。若采用機織法直接織造三維蜂窩狀機織物，經(jīng)樹脂固化后就可解決以上缺點。與傳統(tǒng)蜂窩織物相比，蜂窩狀三維機織物具有厚度大和截面可隨意設計等特點[3-4]。根據(jù)這些特征，用蜂窩狀三維機織物制成復合材料的方法吸引了越來越多研究者的注意力。

在蜂窩狀三維機織物織造方面，黃故[1]運用多臂劍桿織機或提花劍桿織機織出了一種新型織物，解決了蜂窩狀材料總體性不好的問題，為蜂窩狀三維整體機織物的研究奠定了基礎。董敬貴[5]通過對多梭多臂織機的卷曲機構及送經(jīng)機構的改進，織制蜂窩狀三維織物。祝成炎等[6]在改造后的普通織機上織制了截面為六邊形的三維整體夾芯機織物。目前，通過多臂劍桿織機或改進的織機雖可織制蜂窩狀三維機織物，但過程比較復雜，價格昂貴，對能否在普通織機上織制成功并沒有詳細描述。呂麗華等[7]在普通織機上織造蜂窩狀三維機織物的研究，也為本文提供了依據(jù)。

在復合材料力學性能研究方面，黃故等[8]將6層整體式蜂窩復合材料的剪切性能與層合板之間進行了對比。祝成炎等[9]測試了2種不同的纖維混雜織制三維蜂窩織物的沖擊性能。結果表明2種纖維的比例不同，能量吸收也不同。除此之外，Raju等[10]研究了蜂窩夾芯復合材料低速沖擊下的破壞形式。王春霞等[11]用有限元軟件研究了三維復合材料在恒速應力作用下的應力分布情況。Laurent等[12]運用有限元模擬軟件分析研究了蜂窩狀夾芯層合板復合材料的剪切性能。雖然目前國內(nèi)外在這方面的研究成果比較顯著，但在蜂窩狀三維整體機織復合材料彎曲力學性質(zhì)研究方面文獻較少，其力學性能、破壞損傷機制及模式還需要進一步探究。有研究對板狀三維機織復合材料的力學性質(zhì)進行的測試和有限元模擬，為本文的順利開展提供了一定基礎[13]。

本文選用環(huán)保的玄武巖纖維紗及低價格的玻璃纖維紗，在普通織機上低成本織造三角形截面形狀的蜂窩狀三維機織物。將蜂窩狀三維機織物和環(huán)氧基乙烯基樹脂復合，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成型工藝(VARTM)制成復合材料，并對該復合材料進行三點彎曲性能測試。同時運用有限元(FEM)對該材料的力學性能進行模擬并與實驗數(shù)據(jù)比較。

1 實驗部分

1.1蜂窩狀三維整體機織物的設計

蜂窩狀三維機織物是由多層組織接結形成的結構，各層間按特定方法相連，在側面形成孔洞結構。這種組織是由多層經(jīng)緯紗接結而成，使得上下2層織物之間有一些相連的孔狀結構。三角形截面形狀的蜂窩狀三維機織物經(jīng)向截面圖和紋板圖如圖1所示。

圖1 三角形截面形狀的蜂窩狀三維整體機織 物經(jīng)向結構圖和紋板圖Fig.1 Warp section drawing and chain drafts of honeycomb 3-D integrated woven fabric. (a) Warp section drawing; (b) Chain drafts

1.2蜂窩狀三維整體機織物的織造

選用600 tex的玻璃長絲束作為經(jīng)紗，2 000 tex的玄武巖長絲束作為緯紗。采用Y100S型普通織機(南通三思機電有限公司)織造三角形截面形狀的蜂窩狀三維機織物，紗線層數(shù)為：經(jīng)紗7層；緯紗14層；織物經(jīng)緯向密度分別為315、80根/10 cm。

選用筘號為45筘齒/10 cm的筘板，總經(jīng)根數(shù)為630，織物上機幅寬定為200 mm，采用順穿方法，穿筘時，每筘齒穿7根玻璃纖維紗。

1.3蜂窩狀三維整體機織復合材料的制備

采用VARTM成型工藝將三角形截面的蜂窩狀三維機織物制備成復合材料。這種方法操作方便，成本低，室溫即可固化[14]。利用雙酚A環(huán)氧基乙烯基酯(SHOWB?H-630)作為樹脂；固化劑采用異氰酸酯；促進劑采用三乙醇胺。實驗中樹脂、固化劑、促進劑的質(zhì)量比為100∶3∶1。

1.4彎曲性能測試

根據(jù)GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能測試》，將試樣制備成長度為160 mm、寬度為30 mm的樣品。在RG Y-5型計算機控制電子萬能試驗機上進行測試。測試速度分別設為2、10、20、50 mm/min。得到載荷-位移曲線、吸收能量柱形圖以及破壞模式圖。

2 Abaqus建模與計算

在計算機輔助工程模塊中進行材料幾何模型的繪圖，同時設置材料屬性、邊界條件、劃分網(wǎng)格，提交作業(yè)。在作業(yè)中分析并觀察材料的應力分布及變形情況。

2.1幾何模型

按照材料的實際尺寸，創(chuàng)建一個三維可變形的拉伸實體部件，繪制矩形長度為160 mm，高度為20 mm，拉伸寬度為30 mm，選擇寬度小的一面進行拉伸，繪制成高度為7 mm的三角形，拉伸長度為材料長度(160 mm)。

2.2材料性能

編輯材料屬性，材料為彈塑性材料。通過反復迭代得到該復合材料屬性，結果如表1所示。

表1 三角形截面形狀的蜂窩狀三維機織復合材料的原料參數(shù)Tab.1 Material parameters of honeycomb 3-D integrated woven composites with triangle section

注：E11為復合材料縱向彈性模量；E22、E33為材料橫向的彈性模量；ν12、ν13為復合材料縱向泊松比；ν23為材料橫向泊松比；G12、G13為復合材料縱向剪切模量；G23為材料橫向剪切模量。

2.3網(wǎng)格劃分

材料的單元為C3D8，對材料邊上的種子進行配置。長、寬、高邊上分別為32、6、4個。截面為三角形的蜂窩狀三維機織復合材料網(wǎng)格總數(shù)為1 502。網(wǎng)格模型圖如圖2所示。

圖2 截面為三角形的蜂窩狀三維機織復合材 料網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh models of honeycomb 3-D integrated woven composites with triangle section

2.4提交作業(yè)

將前面所做的模擬保存并提交作業(yè)，同時在可視化中進行具體分析。分析完成后保存實驗數(shù)據(jù)。例如彎曲載荷-位移曲線，材料在不同時間的形變及應力分布狀態(tài)等圖片和數(shù)據(jù)。

3 結果與討論

3.1載荷-位移曲線

圖3示出截面為三角形的蜂窩狀三維機織復合材料在4種不同速度下的實驗及有限元模擬的載荷-位移曲線。

圖3 不同速率下實驗及有限元模擬的載荷-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of experiments and FEM at different rates

由圖3可知，在相同位移下，隨測試速度的增加，復合材料的載荷不斷增加，說明該復合材料彎曲載荷對于實驗速度是靈敏的。實驗和模擬曲線的總體走向相同，但二者最大區(qū)別為Abaqus模擬的曲線從零點開始有一部分呈線性上升， 而實驗曲線并沒有從開始就線性上升。原因可能是在有限元模擬中，材料表面平滑，施加的載荷直接受力于材料受壓面，而實驗材料表面不完全平整，壓桿先與材料凸起部分接觸，經(jīng)過一定位移后才與材料受壓面完全接觸，這時材料才開始正式受力。

從實驗和有限元模擬的載荷-位移曲線可知，除實驗的零載荷-小位移階段外，實驗和有限元模擬的曲線取得了較好的統(tǒng)一性。三角形截面形狀的蜂窩狀三維整體機織復合材料彎曲載荷-位移曲線可分為3段：第1段為曲線趨于直線上升的階段，該部分產(chǎn)生的原因可能是當壓桿持續(xù)下降，與材料的表面全部接觸時，材料受力，此時材料作為一個完整的部分受到外部的壓力，材料發(fā)生彎曲變形。由于壓桿繼續(xù)下降深入，材料的位移變大，受到的壓力也變大，即顯示出線性上升的狀態(tài)；第2段為曲線小幅度有升有降的波動階段，這可能是因為隨著壓桿深入，材料的位移不斷增加，材料所受的力也越來越大。這階段材料的基體發(fā)生損壞，曲線有了第1個最高點。壓桿持續(xù)向下，與材料接觸的面積變大，纖維開始斷裂，樹脂破裂的區(qū)域也變大，在曲線中表現(xiàn)為力的波動現(xiàn)象；第3段為曲線趨于直線下降階段，原因可能是最終材料受壓區(qū)域完全破壞以及樹脂大面積開裂，纖維斷裂抽拔，貫穿阻力減小,因此載荷隨位移的增大而呈線性減小。

3.2最大載荷-速度曲線

截面為三角形的蜂窩狀三維機織復合材料在4種測試速度下的實驗及有限元模擬最大載荷與速度關系如表2所示。

表2 不同速率下實驗及有限元模擬的最大載荷誤差Tab.2 Maximal load errors of experiments and FEM at different rates

由表2可知，不同速率下實驗及有限元模擬的最大載荷的最小誤差為8.10%，最大誤差為14.30%,即實驗值和模擬值取得了較好的統(tǒng)一性，該模型可預測截面為三角形的蜂窩狀三維機織復合材料的彎曲載荷。二者之間產(chǎn)生誤差的原因是在Abaqus中假設的材料是平滑的，纖維與樹脂之間是均勻散布的，網(wǎng)格的劃分是均等的。同時發(fā)現(xiàn)，隨著加載率的增大，復合材料所受到的最大彎曲載荷變大，說明該復合材料的最大彎曲載荷對加載速度是靈敏的。

3.3能量吸收柱狀圖

能量也是表征材料力學性能的基本參數(shù)之一。表3示出復合材料在4種速度下的實驗和有限元模擬的吸收能量。

表3 不同速度下實驗及有限元模擬的最大吸收能量Tab.3 Maximum energy absorption of experiments and FEM at different speeds

由表3可知，截面為三角形的蜂窩狀三維整體機織復合材料隨著加載速度的增大而增加，即吸收能量值相對速度是敏感的。同時從表中可看出，實驗和模擬結果的總體趨勢相同，說明Abaqus模擬結果是有效且合理的。

3.4破壞模式分析

截面為三角形的蜂窩狀三維整體機織復合材料在不同的加載速度下，其破壞模式基本相同，即上表面為壓縮破壞，下表面為拉伸破壞。材料樹脂破裂，纖維發(fā)生斷裂并能從材料中抽出來等，但并沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這些結果說明此蜂窩狀三維整體機織物復合材料的整體性較好，在發(fā)生破壞的情況下并不會發(fā)生分層。通過比較加載速率為2、50 mm/min的破壞圖可發(fā)現(xiàn)，隨著加載速度的增大，復合材料的損壞程度如樹脂撕裂、纖維斷裂等越來越嚴重，而且纖維從材料中抽出的個數(shù)也增多了(見圖4、5)。

圖5 50 mm/min加載速度下蜂窩狀三維機織 復合材料彎曲破壞形態(tài)圖Fig.5 Bending failure mode of honeycomb 3-D integrated woven composite at 50 mm/min. (a) Overall view; (b) Front view; (c) Side view; (d) Back view

本文以50 mm/min加載速度下的三點彎曲實驗模擬為例，最終材料的應力云圖如圖6所示。

圖6 截面為三角形的蜂窩狀三維整體機織 復合材料應力云圖Fig.6 Stress nephogram of honeycomb 3-D integrated woven composites with triangle section

由圖可知，實驗和模擬的這種復合材料的破壞效果基本相同。通過Abaqus有限元的模擬可得知材料在任意時刻的應力。

4 結 論

通過設計上機參數(shù)，在普通織機上成功織造截面形狀為三角形的蜂窩狀三維機織物，并通過VARTM成型工藝將其制成復合材料。同時測試了材料在4種不同的實驗速率下的彎曲性能，得到載荷與位移曲線、最大載荷與速度曲線、能量吸收圖及材料破壞模式圖。結果顯示三角形截面形狀的蜂窩狀三維機織復合材料的載荷、最大載荷、能量都隨著速度的增大而增加。通過對比測試速度為2、50 mm/min的破壞模式圖發(fā)現(xiàn)，由于速度的增加，破壞程度嚴重。同時，采用Abaqus模擬軟件對該復合材料進行了模擬，并與實驗結果進行了比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的統(tǒng)一性，說明了該模型應用的可行性，可用該模型推斷截面為三角形蜂窩狀三維機織復合材料的力學性能。

FZXB

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Bendingpropertiesandfiniteelementmethodsimulationofhoneycomb3-Dintegratedwovencomposites

Lü Lihua， HUANG Yaoli， CUI Jingrui

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034,Liaoning,China)

In order to solve the poor integrity of common honeycomb composites made by bonding planar materials with pressing, honeycomb three-dimensional integrated woven fabric with triangle section shape were fabricated on a common loom by reasonable design. The honeycomb three-dimensional integrated woven composites were prepared by vacuum assisted resin transfer molding process. Then, after the comparison of load-displacement curves, maximum load-velocity curves, maximum energy absorption and failure modes of experiments and Abaqus finite element method simulation at different speeds, it is shown that they have better consistency. The Abaqus mode can be used to predict the mechanical properties of honeycomb 3-D woven composites with triangle section shape, and it also provides theory gaide for the honeycomb 3-D woven composites in the high impact damage tolerance.

honeycomb; three-dimensional woven structure; bending property; vacuum assisted resin transfer molding process; finite element method

10.13475/j.fzxb.20170400606

TS 101.2

A

2017-04-05

2017-08-02

遼寧省自然科學基金指導計劃項目(201602051)

呂麗華(1978—)，女，副教授，博士。主要研究方向為三維紡織結構復合材料的力學性能。E-mail:lvlh@dlpu.edu.cn。