三维四步法纱线不同运动式样编织复合材料力学性能分析

三维四步法纱线不同运动式样编织复合材料力学性能分析汤丹芬;乔志炜;房坤鹏

【摘要】通过对三维四步法1×3式样、1×5式样编织复合材料几何细观结构的研究,采用六边形纤维束截面假设,建立了一种三维四步法1×3式样、1×5式样编织复合材料有限元3D模型,对其拉伸、压缩和剪切力学性能进行了理论分析,并与试验结果进行了对比,验证了有限元3D模型的准确性.%Based on the study of the microscopic geometrical structure of three-dimensional four-step 1x3 style,1x5 style braided composites,a finite element 3D model for this type of braided composites was established with the assumption that the yarn cross-section was hexagonal.The mechanical properties such as tensile,compression and shear properties were analyzed theoretically and compared with the experimental results,which verified the accuracy of the finite element 3D model.

【期刊名称】《玻璃纤维》

【年(卷),期】2017(000)002

【总页数】5页(P9-13)

【关键词】三维四步编织;有限元3D模型;力学性能

【作者】汤丹芬;乔志炜;房坤鹏

【作者单位】中材科技股份有限公司,南京210012;中材科技股份有限公司,南京210012;中材科技股份有限公司,南京210012

【正文语种】中文

【中图分类】TQ171.77+6

三维编织复合材料是纺织复合材料的结构形式之一，其增强材料为三维连续网状纤维结构，具有优越的整体性，能有效克服层合复合材料易分层的弱点，被誉为第三代纤维增强复合材料[1-3]。三维立体织物中应用最广泛的是三维四步法编织的立

体织物。关于三维四步法编织立体织物的研究以往大多集中在三维四步法1×1式

样编织结构[4]，而对三维四步法1×3式样、1×5式样编织的研究工作相对较少。三维编织复合材料的研究方法，首先要从编织工艺入手，研究其纱线运动规律和细观结构特征，建立合理的细观结构模型，而后采用数值仿真与实验相结合的方法，深入研究其力学性能[5-9]。本文设计了三维四步法1×3式样、1×5式样编织立体织物，采用六边形纱线截面假设，建立了三维四步法1×3式样、1×5式样编织复合材料几何细观结构和有限元3D模型，通过计算预报了三维四步法1×3式样、

1×5式样编织复合材料的拉伸、压缩、剪切性能，并与试验结果进行了对比，验

证其有限元3D模型的准确性。

三维四步法1×3式样、1×5式样编织复合材料是在三维四步法1×1式样的基础上，改变纱线纵横运动中的移动位置数，经复合固化后形成的一种新的结构材料。纱线在运动过程中，横向运动时只移动一个纱线位置，纵向运动时也只移动一个纱线位置，称为1×1式样，也是应用最广泛的式样。本文涉及的1×3、1×5式样，其中第一个数字代表在第一步和第三步中每次纱线移动的纱线位置，其中第二个数字表示在第二步和第四步中纱线移动的纱线位置数。1×3式样表示第一步和第三步移

动一个纱线位置，第二和第四步移动3个纱线位置。不同的纱线运动式样就会造

成不同的立体织物的几何尺寸和结构性能。图1是1×1式样的运动步距图，图2

是1×3式样的运动步距图，1×5式样同理。

为直观了解本文涉及的1×3、1×5式样立体织物的细微差别，利用数码显微镜对

每种预制体进行了观测，如图3所示。

根据编织纱线为六边形假设，编织纱线的等效几何垂直截面如图4(a)所示，轴向

纱线等效几何垂直截面如图4(b)所示(这里的c、d在1×1样式中是相等的，1×3

和1×5式样中是不相等的，并且其相差的大小1×5式样比1×3式样更大)。图

4(c)为单胞模型。

在建立立体织物细观结构几何模型的基础上，借助CATIA软件中的Formula功能，将周向花节、母向花节等编织工艺参数作为输入参数，其余结构参数均可由其确定，从而实现建模的参数化。图5给出了其参数化实体模型。

将结构化实体模型导入ABAQUS软件后，进行装配，装配后的模型如图6所示。本文采用有限元法进行刚度和强度性能的预测和分析，建立有限元模型，对有限元模型进行网格划分。采用4节点线性四面体单元(C3D4)。有限元网格划分如图7

所示。基于细观周期性胞元分析思想和均匀化平均方法，对材料进行刚度和强度预报。

在建立有限元模型进行求解时，设置了若干增量步，通过ABAQUS软件在每个增量步调用UMAT子程序进行迭代计算，嵌入组分材料相应的本构关系、强度准则

及性能退化方案等来进行求解。本次研究分别选用Hashin准则和Mises准则作

为纱线和基体的损伤判据。若单元积分点材料出现损伤，则采取相应的性能折减，通过不断迭代求解，最终可以得到材料模型的渐进损伤过程，并绘制出各种工况下材料的应力-应变曲线，从而将曲线上的峰值应力作为材料的强度。图8a、8b为

三维四步法1×3式样、1×5式样分别在拉伸载荷下的渐进损伤过程。

为验证几何细观结构和有限元模型的有效性，试验制备了三维四步法1×3式样、

1×5式样编织立体织物，立体织物的工艺参数见表1。

根据立体织物的编织工艺参数，配合纱线和树脂的基本力学性能参数计算纱线的工

程弹性常数。工程应用中纱线一般视作横观各向同性(即垂直于纱线轴向的两个方向性能相同)，通过细观力学分析方法，由纱线、树脂的性能参数以及单元体总的纱线体积含量可混合求得纱线的工程弹性常数，进而得到材料整体工程弹性常数，其预报结果见表2。

实验样件的制备使用环氧树脂采用RTM工艺复合成型，试样见图9a、9b、9c。分别进行了力学性能测试。结果见表3。

分析表2和表3，刚度、强度的计算结果与实验值相比都存在一定偏差，刚度的计算偏差在11%以内，强度的计算偏差在14%以内。总的来说计算结果和实验结果较为吻合，表明了所采用的有限元计算方法的有效性。

(1) 依据三维四步法1×3、1×5式样编织复合材料的实际工艺参数进行建模仿真，所得计算结果与实验数据吻合较好，验证了本文所提出的各编织材料的细观结构模型以及所采用的有限元计算方法是合理有效的。

(2) 刚度和强度相比较，其刚度的预报值更接近实验值。刚度和强度的偏差原因可能是：实体结构模型与实际预制体形态存在一定区别，实际试验件中纱线不可能是绝对的周期性排列，所以用细观单胞的计算结果表征宏观试件的力学性能不可避免的会存在误差；由于目前还没有专门针对三维编织复合材料的强度理论，所以采用基于经典层合板理论建立的强度准则来预测三维编织复合材料的强度，也会产生一定的误差。

【相关文献】

[1]A P Mouritz，M K Bannister，P J Falzon，et al.Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile posites Part A：Applied Science and Manufacturing，1999，30(12)：1445-1461.

[2]R T Brown.Design and manufacturing of 3-D braided preforms//Proceedings of the Fifth Textile Structural Composites Symposium.1991.