縫合泡沫夾層復合材料平壓性能及數(shù)值模擬

毛麗賀，耿浩河，尹春暉，焦亞男

（1.天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387；3.江蘇天鳥高新技術股份有限公司，江蘇 無錫 214205）

相較于傳統(tǒng)材料，具有高比剛度和高比強度的夾層材料在航空、交通、建筑和風電等領域的應用非常普遍。選擇合適的上下面板和夾芯材料，可以給夾層結構提供抗沖擊、減震、隔音及隔熱等優(yōu)勢。然而，當傳統(tǒng)夾層結構在受到?jīng)_擊、剪切或壓縮載荷時，很容易出現(xiàn)坍塌或分層的現(xiàn)象[1-2]。對于縫合后的泡沫夾層結構，即在傳統(tǒng)夾層結構的z軸方向（厚度方向）加入一定數(shù)量的縫線，樹脂將滲透進入縫線周圍的間隙中，在通過固化等工藝，最后形成縫合樹脂柱，在一定程度上解決了傳統(tǒng)夾層結構所存在的坍塌或分層等問題。由于在夾層結構的厚度方向引入了縫線，會明顯地提升傳統(tǒng)夾層結構的z軸方向（厚度方向）的性能，其平壓性能會得到較大的提升。采用縫合和Z-pin等方法在縱向上對夾芯結構進行加強，可以較為明顯地改善面板及夾芯之間的連接性能，從而增強其在平壓條件下的力學性能。因此，縫合技術已經(jīng)被廣泛應用于改善夾層結構沿著厚度方向上的力學性能[3-4]。如今，具有高模量和高強度的碳纖維、玻璃纖維和鈦合金等材料已經(jīng)被用作連接上下面板及夾芯材料的縫線。研究表明，對夾層結構進行縫合可加強其沿著厚度方向上的力學性能[5]。

壓縮是夾層結構在應用過程中常見的力學行為之一，產(chǎn)生的內(nèi)部損傷會嚴重影響結構的強度和剛度，從而越來越多的學者開始關注縫合泡沫夾層復合材料的壓縮性能。馬元春等[6]建立了縫合泡沫夾層復合材料剛度預測模型，此模型采用串聯(lián)和并聯(lián)組合的方法預測其剛度，并分別進行了平壓、側壓等試驗，測試了縫合泡沫夾層復合材料試驗件的剛度性能，建立的剛度預測模型與預測結果較吻合。郭書良等[7]使用Kevlar纖維和碳纖維作為縫線制備縫合泡沫夾層復合材料，明顯增強了夾層結構的平壓性能，并改變了夾層結構的壓縮破壞機理，且碳纖維作為縫線的增強效果高于Kevlar纖維。仇艷慧等[8]制備了不同縫合參數(shù)下的“X”型縫合泡沫夾層復合材料，相較于未縫合泡沫夾層結構，壓縮強度最大提高了26.2倍，壓縮模量最大提高了15.2倍，說明其壓縮性能提升效果較為明顯，且在平壓載荷的作用下，縫合泡沫夾層復合材料的失效模式主要為纖維柱斷裂和面板穿透。

到目前為止，已經(jīng)有大量的研究論文在研究縫合泡沫夾層復合材料的力學性能[9-15]。除了利用實驗進行測試，也可使用模擬分析研究復合材料在壓縮過程中的內(nèi)部損傷行為。但是，利用實驗對縫合夾層復合材料的平壓性能進行測試仍占據(jù)主流地位，模擬分析應用不夠廣泛。在本文中，利用ABAQUS模擬軟件進行縫合泡沫夾層復合材料建模，并進行靜力學分析，同時對縫合夾層結構內(nèi)部纖維面板、縫線樹脂柱及泡沫夾芯本構模型的損傷行為進行研究，并預測了縫合泡沫結構在受到軸向載荷下的壓縮過程，可以得到平壓性能的數(shù)值模擬結果與試驗數(shù)據(jù)較為一致，說明該模型具有一定的的可信度和可用性。

1 平壓試驗

1.1 原材料

本試驗通過縫合工藝制備預制件，縫線采用的是雙合股碳纖維，上下纖維面板及中間的泡沫夾芯通過縫線來連接。上下兩部分纖維面板鋪層織物為八枚五飛緞紋碳纖維布，批次號為TN2018-48-4，江蘇天鳥高新技術有限公司產(chǎn)品；碳纖維布和縫合線均為碳纖維，批次號為MT300C-3K-42B-0，河南永煤碳纖維有限公司產(chǎn)品；泡沫夾芯采用聚氨酯（PUR）閉孔泡沫，常州天晟新材料研究院有限公司產(chǎn)品。碳纖維性能參數(shù)如表1所示，環(huán)氧樹脂TDE-86#固化物性能如表2所示。

表1 碳纖維性能結構參數(shù)Tab.1 Performance and structural parameters of carbon fiber

表2 環(huán)氧樹脂TDE-86#固化物性能Tab.2 Properties of cured epoxy resin TDE-86#

1.2 縫合泡沫夾層復合材料制備

材料上下兩部分碳纖維面板均采用[0°/90°]5鋪層，鋪層數(shù)量為10層。使用天津工業(yè)大學復合材料研究所自制的穿刺縫合機，將干燥的預制體使用雙合股碳纖維按照針跡密度為15 mm×10 mm，且沿著0°方向對多層碳纖維織物和泡沫夾芯進行縫制。之后通過真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）成型工藝，采用環(huán)氧樹脂（TDE-86#）在室溫下固化成型。VARTM成型工藝流程主要分為預處理、樹脂注射、固化和后處理4個階段。預處理階段首先對模具進行清理，在模具左右兩側安裝三組注射口與抽出口，分別于樹脂桶和真空泵相連接，依次在模具上鋪設脫模布、縫合織物，且用密封膠將織物的四周貼好，最后在下模表面貼上密封膠帶，閉合模具后開啟真空泵檢查密封性，當真空度達到-0.1 MPa以下時，將進料口與出料口封住，保持5 min不漏氣。考慮到織物的厚度較大，真空袋需要預留出足夠的量，保證真空袋能夠將織物的四周壓實?？紤]到樹脂的流動性及縫合織物的厚度，將注射口適當?shù)母哂诔槌隹冢梢允箻渲刂穸确较蚓鶆驖B透。樹脂注射使用邊界注入和邊界輸出的方式，待輸出口有樹脂析出時，等待1 h以等模具內(nèi)空氣被抽盡待樹脂全部注入完畢，將注射口夾緊，繼續(xù)抽真空4 h；注射完成后關閉模具左右兩側閥門，在室溫25℃下固化24 h后，放置烘箱70℃進行固化16 h；后處理主要是脫模，去除脫模布。圖1為纖維面板內(nèi)的鋪層情況示意圖。

圖1 纖維面板中的鋪層情況Fig.1 Lamination in fiber panel

1.3 平壓力學測試

為了提高泡沫夾層復合材料在z向上的力學性能，可以在厚度方向上引入縫線來提高整體夾層復合材料的平壓強度和平壓模量。在室溫條件下，參照ASTM D6641標準[16]，平壓試驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 平壓試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of flat compression test device

采用萬能強力試驗機（AG-250KNE型，日本島津公司產(chǎn)品）沿縫合方向（0°）進行縫合復合材料的軸向壓縮性能測試，試驗速率為1 mm/min。根據(jù)試驗儀器得到的結果，繪制試樣在平壓條件下的載荷-位移曲線。參照ASTM D6641標準[16]，使用切割機將試樣進行切割，切割尺寸要求為60 mm×60 mm。分別選取5組壓縮試樣進行平壓測試，得到其平均值。

平壓強度為：

式中：σ為平壓強度（MPa）；p為破壞載荷（N）；F為試樣載荷面積（mm2）；a為試樣邊長（mm）。

平壓模量為：

式中：Ec為平壓模量（MPa）；ΔP為載荷-位移曲線上直線段的載荷增量值（N）；h為試樣厚度（mm）；tf1、tf2為上、下面板厚度（mm）；Δh為ΔP的壓縮位移增量值（mm）。

2 平壓測試數(shù)值模擬

2.1 平壓試驗有限元模型

進行建模時，為簡化模型壓縮過程中計算量，可作如下假設：①重力對壓縮過程不產(chǎn)生影響；②無論是上下纖維面板各層之間，還是面板與泡沫夾芯之間都會存在一定的粘結作用，建模過程中可不予考慮；③在平壓載荷的作用下，只考慮整體模型沿著厚度方向產(chǎn)生位移；④考慮到本試驗過程中泡沫夾層復合材料的縫合密度為15 mm×10 mm，且只受到厚度方向上的平壓載荷，可簡化為15 mm×10 mm的有限元模型。簡化后具體模型（去除泡沫）如圖3所示。

圖3 縫合泡沫夾層復合材料（去除泡沫）有限元模型Fig.3 Finite element model of sutured foam sandwich composite（foam removed）

為了定義縫合泡沫夾層復合材料模型單元類型，可以將其簡化為以下3部分，如表3所示。

表3 縫合泡沫夾層復合材料模型單元類型Tab.3 Element types of stitched foam sandwich composites model

為了使纖維面板和泡沫夾芯之間無法發(fā)生相對運動，采用Tie約束，而縫合樹脂柱通過Embedded約束嵌入在整體夾層結構中。

2.2 纖維面板壓縮失效準則

纖維面板壓縮失效準則的建立可以基于Hasin理論作為其失效損傷依據(jù)，損傷模式為基體的壓縮壓潰，公式為：

式中：Yc為橫向壓縮強度；ST為橫向剪切強度；σ2為面板受到的橫向應力；τ12為面板受到的剪切力。

2.3 泡沫夾芯本構模型

在ABAQUS軟件中定義泡沫夾芯材料屬性為三維實體單元?；诶w維面板的壓縮失效準則，得到復合材料單層板的性能參數(shù)，如表4所示。經(jīng)過查閱文獻得到聚氨酯閉孔泡沫的屬性參數(shù)如表5所示[17]。

表4 復合材料單層板的性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of composite monolayers

表5 泡沫夾芯層的屬性參數(shù)Tab.5 Property parameters of foam sandwich layer

2.4 縫線樹脂柱本構模型

圖4為縫線樹脂柱結構示意圖。

圖4 縫線樹脂柱結構示意圖Fig.4 Structure diagram of suture resin column

20世紀70年代，Benssousan和Sanchez-Palencia等為了解決多組分材料中所純在的問題，提出了一種均勻化理論的數(shù)學方法，可用于分析2種及以上尺度的物質系統(tǒng)。均勻化理論同樣也可以運用于復合材料的分析，Toledano等結合有限元的思想解決了一系列的復合材料中的線彈性問題。通過研究發(fā)現(xiàn)，分析宏觀結構和微觀結構所得到的結果是一致的，宏觀結構的應力應變情況可以取決于微觀結構的應力應變行為。基于細觀力學計算彈性常數(shù)的方法，縫線樹脂柱彈性常數(shù)的表達式為：

式中：E為彈性模量；X為拉伸強度；ν為泊松比；ρ為密度；V為體積分數(shù)；下標S為縫線；下標r為樹脂。

縫線樹脂柱由碳纖維（MT300C-3K-42B-0）和環(huán)氧樹脂（TDE-86#）構成，其中碳纖維縫線約占比70%?？p線樹脂柱屬性參數(shù)如表6所示。

表6 縫線樹脂柱屬性參數(shù)Tab.6 Attribute parameters of suture resin column

縫線樹脂柱本構方程為：

式中：σ11為樹脂柱的拉伸應力；E為為樹脂柱的楊氏模量；ε11為為樹脂柱的壓縮應力。

縫線的判傷依據(jù)公式為：

式中：σ為樹脂柱所受的應力；E為樹脂柱彈性模量；εT為樹脂柱可承受的最大應變。

3 結果與分析

3.1 平壓力學性能

在平壓載荷作用下，可以得到縫合泡沫夾層結構復合材料試樣的載荷-位移曲線，如圖5所示。由圖5可見，在載荷-位移曲線屈服之前，由于纖維樹脂柱的存在，曲線整體呈現(xiàn)線彈性變化；之后由于纖維樹脂柱及泡沫夾芯發(fā)生破壞，載荷-位移曲線屈服且迅速下降。

圖5 縫合夾層結構平壓載荷-位移圖Fig.5 Plain compression load-displacement diagram of stitched sandwich structure

通過模擬結果可知，曲線存在2個峰值，第1個峰值是因為縫線與面板的連接處出現(xiàn)破壞，而第2個峰值的出現(xiàn)可能是因為泡沫夾層出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。同時模擬結果表現(xiàn)出了剛度逐漸降低的趨勢，縫合夾層結構的平壓力學性能主要受纖維樹脂柱控制，達到破壞載荷之前，呈線彈性特征，達到破壞載荷之后結構剛度迅速下降。通過比較壓縮強度和壓縮模量的試驗結果與模擬結果，誤差仍然是存在的。由于預制件的縫合過程為手工操作，各種縫合參數(shù)都有可能出現(xiàn)一定的偏差，縫合密度可能由于操作的原因存在誤差，縫合紗線并沒有完全的垂直于纖維面板，紗線在穿過纖維面板、泡沫會出現(xiàn)斷裂等，都是實驗結果與模擬結果出現(xiàn)誤差的原因，但是控制壓縮強度和壓縮模量在15%左右，證實了使用該有限元模型去預測縫合夾層結構平壓性能是較為可靠的。縫合夾層結構復合材料試樣的的平壓力學性能如表7所示。

表7 整體縫合夾芯結構復合材料試樣的平壓力學性能Tab.7 Flat pressure properties of the composite with integral stitched sandwich structure

3.2 平壓破壞模式

在平壓載荷作用下，未縫合泡沫夾層結構承受壓力的主要結構為泡沫，其整體平壓性能近似等于泡沫的平壓性能[18-20]。相比之下，在平壓載荷作用下，在縫合泡沫夾層結構中承受壓力的主要結構為纖維樹脂柱。圖6為壓縮前后纖維樹脂柱的應力云圖。比較實驗結果與模擬結果，說明縫合夾層結構所受到的平壓載荷大部分由纖維樹脂柱代替承擔，縫合泡沫夾層結構的平壓強度進一步得到提升。

圖6 壓縮前后纖維樹脂柱的應力云圖Fig.6 Stress cloud of fiber resin column before and after compression

由于在平壓過程中，泡沫主要承受由于纖維柱變形屈曲后的面內(nèi)壓力，維持纖維柱的穩(wěn)定，從而提高縫合泡沫夾層結構的平壓強度和平壓模量?？墒褂门菽Y構的位移云圖來表征其平壓過程中的變形情況，圖7為平壓過程中泡沫結構分別在厚度方向和垂直于厚度方向上的位移云圖。

圖7 泡沫結構的位移云圖Fig.7 Displacement cloud diagram of foam structure

纖維樹脂柱與上下纖維面板之間的斷裂失效是縫合泡沫夾層結構發(fā)生破壞的主要原因，在平壓載荷條件下，縫合夾層結構復合材料壓縮破壞如圖8所示。

圖8 整體縫合夾芯結構復合材料壓縮載荷下的破壞Fig.8 Failure of integral stitched sandwich structure composite under compression load

為了觀察模型面板受到平壓載荷下的受力情況，導出纖維上面板的應力云圖。圖9為上纖維面板各層之間的應力分布。

圖9 整體縫合夾層結構面板部分的各層應力分布圖Fig.9 Stress distribution of each layer in the panel part of the integral sutured sandwich structure

由圖9可見，纖維樹脂柱與上纖維面板連接部位的應力值較為集中，且達到了最大值，證實了此位置由于纖維樹脂柱的斷裂出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，這與試驗分析結果中纖維柱與面板連接部位纖維柱斷裂的破壞模式一致。

由圖9還可以看出，鋪層角度為0°纖維層整體的應力是沿著0°方向分布，鋪層角度為90°纖維層整體的應力是沿著90°方向分布。這是由于碳纖維布沿著鋪層方向力學性能較好，所以平壓載荷產(chǎn)生的力會沿著鋪層方向傳遞。整體應力分布是隨著層數(shù)的增加而逐漸減小的，這是由于壓縮所產(chǎn)生應力在層與層之間的傳遞會使應力產(chǎn)生損耗。同時樹脂柱的加入雖然破壞了纖維面板結構本身的連續(xù)性，但其對各層有一定的連接作用，分擔了單層板所受到的平壓載荷，從而對纖維面板的壓縮破壞起到了抑制的作用。

上述研究表明，在平壓過程中，未縫合泡沫夾層復合材料主要出現(xiàn)了2種變形作用：①上下纖維面板發(fā)生壓縮破壞；②泡沫的壓潰。引入纖維樹脂柱是為了抑制這2種變形作用，可以在一定程度上加強泡沫夾層復合材料的平壓性能，通過比較實驗結果與模擬結果可知，平壓性能及破壞模式較為吻合，故說明該模型具有一定的的可信度和可用性。

4 結論

（1）對縫合夾層復合材料的平壓性能分別進行實驗和模擬分析，壓縮強度和壓縮模量誤差分別為13.74%和16.09%，但誤差均不超過20%，一定程度上說明有限元模型可以為平壓測試提供較為可靠的依據(jù)。

（2）通過纖維樹脂柱和面板的應力云圖，在平壓載荷作用下，縫合泡沫夾層復合材料主要承力部分是纖維樹脂柱，并且可觀察到纖維樹脂柱與纖維面板連接處出現(xiàn)一定的應力集中現(xiàn)象。

（3）與實驗結果對照，縫合泡沫夾層復合材料的破壞主要為纖維柱與面板連接處的纖維柱之間的斷裂失效，泡沫壓縮變形過程也較為相符。