織造角對三維機織復合材料單胞結構模型拉伸行為的影響

徐春成

(鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院,江蘇 鹽城 224005)

1 前 言

三維機織復合材料是一種以一次成型的三維機織物作為纖維增強體,熱固性樹脂作為基體的新型纖維增強復合材料[1-3]。三維機織物由數(shù)層緯紗和起到包纏和捆綁作用的經(jīng)紗組成,其中彎曲的經(jīng)紗在厚度方向上增強了復合材料的各層間抗剪切強度[4-5],因此,與二維織物增強復合材料相比,三維機織復合材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的層間剪切強度和抗沖擊性能,被更加廣泛的應用于航天航空、交通、航運、國防及工業(yè)制造等領域[6-8]。

使用傳統(tǒng)的試驗及測試方法,可以根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到復合材料的力學性能及特點,但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對復合材料內(nèi)部纖維增強體與樹脂基體間相互作用機理以及復合材料在載荷作用下的力學行為進行分析則比較困難,以及存在無法解決的試驗及測試誤差問題[9-11]。有限元模擬技術的出現(xiàn)解決了試驗誤差問題,并通過建立細觀模型使得對復合材料在載荷作用下的內(nèi)部微觀力學行為的探究成為可能[12-13]。

本研究借助參數(shù)化三維建模軟件PRO/E 5.0,根據(jù)三維機織物織造角構建了三維機織復合材料單胞模型。通過ANSYS Workbench有限元軟件從單胞模型分析了織造角對三維機織復合材料經(jīng)向拉伸性能的影響。根據(jù)結果分析織造角對三維機織復合材料單胞模型在經(jīng)向拉伸載荷下的力學響應,基于單胞模型中纖維束與樹脂間拉伸應力、拉伸應變分布情況,分析三維機織復合材料單胞模型中的微觀力學性能。

2 有限元模型

2.1 基本假設

由于三維機織復合材料內(nèi)部結構復雜,在模型建立及模擬計算方面存在著一些困難,因此在構建模型時提出一些基本假設來簡化模型并減少計算機的計算量。提出的基本假設如下[14]:

(1)纖維為連續(xù)性長絲,在三維機織物織造的過程中,纖維束彼此間相互擠壓造成截面非圓形,本研究設定纖維橫截面為跑道圓型,如圖1所示。

圖1 纖維束橫截面示意圖(單位:mm)Fig.1 Schematic diagram of the fiber bundle cross section(Unit:mm)

(2)三維機織物纖維增強體的織造過程在一定程度上均一穩(wěn)定,且在注膠復合的過程中纖維力學性能并未損傷且相對位置未發(fā)生變動。

(3)三維機織復合材料制造過程中,纖維截面不發(fā)生變化,纖維與樹脂間具有良好的粘結性,且復合材料中沒有裂痕、孔洞和氣泡等缺陷。

2.2 建立模型

在PRO/E 5.0中建立經(jīng)緯紗結構模型,并將其裝配在一起;使用切除功能建立樹脂基體的結構模型,并將纖維和樹脂裝配成復合材料單胞結構模型。三個單胞結構模型編號為a、b和c,其中纖維組分、樹脂組分及復合材料的微觀結構及尺寸見圖2。

圖2 三維機織復合材料單胞模型Fig.2 Micro-structural model of 3D woven composite unit cell (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

3 有限元設置

3.1 材料性能參數(shù)

三維機織復合材料采用玻璃纖維的增強體與環(huán)氧樹脂復合制備而成。在ANSYS Workbench 有限元分析軟件輸入各組分的性能參數(shù),其中玻璃纖維和環(huán)氧樹脂參數(shù)參考文獻[15],具體參數(shù)見表1。

表1 三維機織復合材料各組分材料參數(shù)Table 1 Parameter of each component of 3D woven composites

3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

通過PRO/E 5.0軟件構建出的復合材料單胞結構模型中纖維是各自獨立的,而在分析中,需要將纖維部分當成一個受力整體進行分析。因此,使用ANSYS中Boolean operation的功能將纖維組分粘接在一起形成一個受力整體。

在ANSYS Workbench中網(wǎng)格劃分方法分為自動網(wǎng)格劃分、掃掠網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格劃分、六面體網(wǎng)格劃分等等。有限元模型中網(wǎng)格質量決定計算結果的準確性,與其他網(wǎng)格劃分方法相比,在同樣的求解精度下,采用六面體網(wǎng)格劃分網(wǎng)格使材料具有的網(wǎng)格單元及節(jié)點數(shù)量少,質量高,有限元分析的過程中更容易收斂。綜合各種因素,本研究采用六面體網(wǎng)格對三維機織復合材料單胞模型進行劃分,網(wǎng)格尺寸為0.05 mm,三維機織復合材料單胞模型網(wǎng)格單元見圖3,單胞模型各組分網(wǎng)格單元及節(jié)點數(shù)量如表2所示。

圖3 三維機織復合材料單胞模型網(wǎng)格Fig.3 3D woven composite cell model mesh (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

表2 三維機織復合材料單胞模型網(wǎng)格參數(shù)Table 2 Meshing Parameters of 3D woven composites unit cell model

根據(jù)前期對三維機織復合材料力學性能實際測試過程中的參數(shù)設置,在有限元模型邊界條件設定時,對沿單胞模型沿Y 方向兩個對立面分別施加方向相反的500 N 拉伸力。

4 結果與分析

4.1 三維機織復合材料單胞模型力學行為

從圖4可見,三維機織復合材料單胞模型在拉伸載荷的作用下產(chǎn)生了不同程度的拉伸應力與拉伸應變。結合數(shù)據(jù)分析,在同樣的拉伸載荷作用下,隨著復合材料織造角的增大,復合材料單胞結構模型內(nèi)的拉伸應力與拉伸應變均逐漸增大。這說明在相同的拉伸載荷作用下,隨著復合材料單胞結構模型織造角的增加,單胞結構模型更容易發(fā)生拉伸破壞并發(fā)生更加嚴重的變形。

圖4 復合材料單胞結構模型拉伸應力應變分布云圖Fig.4 Nephogram of tensile stress of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

由于復合材料在承受載荷時由纖維與樹脂共同作用,對于其協(xié)同作用機理的研究比較困難,將纖維與樹脂作為兩種組分,并對兩種組分的應力應變分布分別進行分析。

4.2 單胞結構模型各組分力學性能

由三個復合材料單胞結構模型中纖維增強體與樹脂基體拉伸應力分布云圖(圖5)分析可知,復合材料單胞結構模型纖維組分在經(jīng)向拉伸載荷的作用下,峰值拉伸應力分布在拉伸面纖維的邊緣及拐角處、經(jīng)緯紗交界面及纖維增強體表面;樹脂基體中較大的拉伸載荷同樣位于拉伸面樹脂基體的邊緣、拐角處及樹脂基體與纖維增強體的界面上。這說明在承受拉伸載荷作用時這些位置分布較多的應力集中點,且較容易發(fā)生破壞。

圖5 復合材料單胞結構模型各組分拉伸應力分布云圖Fig.5 Nephogram of tensile stress of components of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

對比纖維組分中的經(jīng)緯紗,可以看出更大的拉伸應力分布在彎曲的經(jīng)紗上,這是由于經(jīng)紗沿軸向方向存在著與經(jīng)向拉伸載荷方向平行的分量,緯紗的軸向方向則存在垂直于經(jīng)向拉伸載荷方向。三維機織復合材料增強體中經(jīng)紗拉伸過程中起到主要承受載荷的作用,而緯紗在這個過程中主要起到連接各根經(jīng)紗及傳遞載荷。

拉伸應變分布情況反映了三維機織復合材料單胞結構模型纖維組分與樹脂組分在拉伸載荷作用下的變形情況。從圖6可見,與拉伸應力分布情況相似,單胞模型纖維組分中受力面附近的邊緣與拐角處、經(jīng)緯紗交界處及纖維與樹脂基體的交界面上的拉伸應變值較大,這說明在這些位置出現(xiàn)了較大的拉伸變形。同樣,軸向存在與拉伸載荷方向相同分量的經(jīng)紗較軸向與拉伸載荷垂直的緯紗表現(xiàn)出更大的應變,變形更大。

圖6 復合材料單胞結構模型各組分拉伸應變分布云圖Fig.6 Nephogram of tensile strain of components of composite unit-cell models (a)253.74°; (b)293.22°; (c)311.62°

4.3 三維機織復合材料單胞模型拉伸性能分析

對比圖7中三維機織復合材料單胞模型受載荷作用時纖維、樹脂的應力應變情況發(fā)現(xiàn),同一單胞模型在相同的載荷作用下,纖維較樹脂表現(xiàn)出更大的拉伸應力和更小的拉伸應變。這說明纖維在三維機織復合材料單胞模型中是主要載荷承載體,承擔了更多的載荷,而作為次要承載體的樹脂基體承受較少的載荷;但是樹脂基體的楊氏模量較小,泊松比較大,在單胞模型中樹脂基體產(chǎn)生的變形仍然較大。隨著織造角的增加,可以看出復合材料單胞結構模型中纖維與樹脂組分的應力、應變均逐漸增加,這是由于纖維中軸向含有與載荷方向平行分量的經(jīng)紗慣性矩隨著織造角的增加而逐漸增大,纖維體的拉伸應力與拉伸應變隨之增加;由于作為主要承載體的纖維組分中產(chǎn)生更大的拉伸應力與拉伸應變,作為次要承載體的樹脂被迫承受更大的載荷作用,且同時發(fā)生更大的形變。纖維組分與樹脂組分中產(chǎn)生更大的拉伸應力與拉伸應變的現(xiàn)象說明在同樣的載荷作用下,復合材料單胞結構模型更容易發(fā)生破壞。

圖7 織造角對三維機織復合材料單胞模型中纖維與樹脂拉伸應力、應變的影響Fig.7 Influence of weaving angle on tensile stress and strain composite unit-cell models

5 結 論

隨著織造角的增大,三維機織復合材料單胞模型中纖維組分與樹脂組分的拉伸應力和拉伸應變均逐漸增加,在同樣的載荷作用下更容易發(fā)生破壞,復合材料單胞結構模型的力學性能逐漸變差。

在拉伸載荷的作用下,三維機織復合材料單胞模型中纖維承受較大的載荷,拉伸應力較大,樹脂基體承擔的載荷較小,但拉伸變形較大;三維機織復合材料單胞模型中,與拉伸方向平行的經(jīng)紗比與拉伸方向垂直的緯紗承擔更多的載荷,且具有較大的拉伸應力和拉伸應變。