工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能

黃耀麗， 呂麗華， 王觀桔

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034)

傳統(tǒng)工字形復(fù)合材料大都由普通平面材料通過(guò)鋪層的方式黏合并壓制定型而成，雖然制作方法簡(jiǎn)單，但材料整體性較差，易分層[1]。如果采用機(jī)織法直接織造工字形三維機(jī)織物，將其與樹(shù)脂復(fù)合制成復(fù)合材料后就可解決以上問(wèn)題。

在工字形三維機(jī)織物織造方面，Umair 等[2]織造了T形、H形三維機(jī)織預(yù)制件，雖然也可織造出工字形三維機(jī)織物，但織造完成的工字形三維機(jī)織物的高度會(huì)受到織機(jī)綜框數(shù)目的嚴(yán)重影響，因此，對(duì)于在普通織機(jī)上織造高度不受到綜框數(shù)目影響的工字形三維機(jī)織物還需要進(jìn)一步探討和探究。此外，張雪飛等[3]、呂麗華等[4-5]在其他異形三維機(jī)織物方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究。

工字形復(fù)合材料是一種在工程應(yīng)用中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。傳統(tǒng)工字形復(fù)合材料的力學(xué)性能受到了廣泛的關(guān)注[6-8]：Zhou等[9-10]測(cè)試了工字形三維編織復(fù)合材料的抗沖擊、彎曲性能，研究結(jié)果表明編織結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)力分布有明顯的影響；黃故等[11]測(cè)試了工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能發(fā)現(xiàn)，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲載荷居于較高水平，在中等強(qiáng)度的載荷條件下，不會(huì)產(chǎn)生大的變形。同時(shí)在結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析方面，高雄等[12]分析了不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料在不同方向上的彎曲性能發(fā)現(xiàn)，正交結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在各方向上的性能比較平均，總體彎曲性能最好，這也是本文在設(shè)計(jì)工字形三維機(jī)織物時(shí)選用正交分層結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。目前針對(duì)工字形三維機(jī)織復(fù)合材料彎曲力學(xué)性能研究的文獻(xiàn)相對(duì)較少，其力學(xué)性能、破壞損傷模式還需要進(jìn)一步探討。

在三維機(jī)織復(fù)合材料的有限元模擬(FEM)方面，楊萍等[13 -14]采用模擬軟件分析了三維編織工字形復(fù)合材料的彎曲性能發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。為外，本文在課題組對(duì)其他平板以及蜂窩狀三維機(jī)織復(fù)合材料的有限元模擬及分析研究的基礎(chǔ)[15-16]上，選用低價(jià)、環(huán)保的玄武巖纖維，在普通織機(jī)上低成本織造了不同高度的工字形三維機(jī)織物，并采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)成型工藝將其與樹(shù)脂復(fù)合制成復(fù)合材料，同時(shí)對(duì)該復(fù)合材料進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，利用有限元模擬軟件對(duì)該復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 工字形三維機(jī)織物的設(shè)計(jì)

工字形三維機(jī)織物從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)分為2部分：邊緣部分和主體部分，其兩端為邊緣部分，中間為主體部分。為解決工字形三維機(jī)織物的高度在使用普通織機(jī)織造時(shí)受到織機(jī)綜框數(shù)目限制的問(wèn)題，本文采用壓扁還原法織造了工字形三維機(jī)織物，其示意圖如圖 1所示。具體的經(jīng)向截面圖如圖2所示，紋板圖如圖3 所示。

注：A1、A2和A3分別為工字形三維機(jī)織物的不同區(qū)域。圖1 壓扁還原法的工字形三維機(jī)織物示意圖Fig.1 Schematic drawing of I-shaped 3-D woven fabric with flattening reduction method

圖2 不同高度的工字形三維機(jī)織物經(jīng)向截面圖Fig.2 Warp section drawing of 3-D I-shaped woven fabrics with different heights

圖3 不同高度的工字形三維機(jī)織物紋板圖Fig.3 Chain drafts of 3-D I-shaped woven fabrics with different heights

1.2 工字形三維機(jī)織物的織造

選用線密度為800 tex的玄武巖纖維(浙江石金玄武巖纖維有限公司)作為經(jīng)紗和緯紗。采用SGA598型普通織機(jī)(江陰市通源紡機(jī)有限公司)織造不同高度的工字形三維機(jī)織物，織造工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不同高度的工字形三維機(jī)織物織造參數(shù)Tab.1 Weaving parameters of 3-D I-shaped woven fabric with three different heights

本文實(shí)驗(yàn)筘號(hào)選用40個(gè)/(10 cm)的筘板，總經(jīng)根數(shù)為 720根，織物上機(jī)幅寬為150 mm，穿綜采用順穿的方法，穿筘時(shí)每筘齒穿12根玄武巖纖維。在織造時(shí)，先使用第1塊紋板織造A1區(qū)，再使用第2塊紋板織造A2區(qū)，將A2區(qū)的織造長(zhǎng)度分別控制為20、40、60 mm，最后再使用第1塊紋板織造A3區(qū)。最后將織造完成的織物進(jìn)行還原，即可得到 3個(gè)不同高度的工字形三維機(jī)織物。

1.3 工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的制備

采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝制備工字形三維機(jī)織復(fù)合材料，該工藝操作方便、成本低、室溫即可固化[19-21]。本文實(shí)驗(yàn)采用環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂(V118)作為基體，異氰酸酯作為固化劑，三乙醇胺作為促進(jìn)劑，其中樹(shù)脂、固化劑、促進(jìn)劑質(zhì)量比為400∶5∶5。

1.4 彎曲性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能測(cè)試》，將試樣制備成長(zhǎng)為120 mm、寬為30 mm的樣品，在TH-8102S型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速度設(shè)為 10 mm/min。最后得到載荷-位移曲線、能量-位移曲線以及彎曲破壞模式圖。其中彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：σ為彎曲強(qiáng)度，MPa；P為破壞載荷，N；L為復(fù)合材料的測(cè)試跨距，mm；b為復(fù)合材料試樣的寬度，mm；h為復(fù)合材料試樣的厚度，mm。

1.5 纖維體積分?jǐn)?shù)測(cè)試

纖維體積分?jǐn)?shù)是計(jì)算與分析復(fù)合材料力學(xué)性能的一個(gè)重要因素，其大小對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大的影響。本文采用馬弗爐燃燒法測(cè)定實(shí)驗(yàn)制備的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)，最終得到高度為20、40、60 mm的3種復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)分別為58.2%、55.2%、53.6%?？梢钥闯鲭S著復(fù)合材料高度的增加，纖維體積分?jǐn)?shù)是逐漸遞減的。

2 ABAQUS建模與計(jì)算

2.1 模型建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料的實(shí)際大小，創(chuàng)建3個(gè)三維可變形的拉伸實(shí)體部件，繪制工字形截面長(zhǎng)為 30 mm，梁的厚度為6 mm，上下邊緣的寬度為3 mm，高度分別為20、40、60 mm，最后將截面圖形拉伸為長(zhǎng)度為120 mm的工字形三維實(shí)體。

2.2 材料屬性設(shè)置

在屬性設(shè)置選項(xiàng)中，添加材料屬性參數(shù)，主要包括材料的彈性參數(shù)和塑性參數(shù)。3種不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料屬性如表2所示，表中的材料屬性通過(guò)反復(fù)迭代得到。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次模擬計(jì)算后，這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最為相近，所以采用該組數(shù)據(jù)。

表2 不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of 3-D I-shaped woven composites with different heights

注：E11、E22和E33分別為材料三維x、y、z方向的彈性模量；V12、V23和V13分別為xy、yz、xz平面的泊松比；G12、G13和G23分別為xy、xz和yz平面的剪切模量。

2.3 邊界及載荷條件設(shè)置

為便于約束條件的設(shè)定，將壓頭與工字形三維機(jī)織復(fù)合材料模型的上表面進(jìn)行綁定約束，同時(shí)將工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在原有的底座位置(即三點(diǎn)彎曲示意圖的底座)進(jìn)行固定。約束結(jié)果為U1=U2=U3=0(U1、U2和U3分別為模擬過(guò)程中x、y、z方向的位移)。同時(shí)約束其他方向上的自由度為UR1=UR2=UR3=0。添加向下的載荷位移為 -10 mm。分析步設(shè)置輸出場(chǎng)變量為應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，輸出方式為整個(gè)模型；輸出歷史變量為作用力和反作用力以及位移，且輸出方式為參考點(diǎn)。

2.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)工字形復(fù)合材料部件整體進(jìn)行布種，單位設(shè)為1，得到3種不同高度(20、40、60 mm)的工字形復(fù)合材料的網(wǎng)格總數(shù)分別為10 854、15 390、19 602個(gè)，并將網(wǎng)格單元類型指派為C3D8R的八節(jié)點(diǎn)線性單元。

2.5 提交作業(yè)并檢查

提交作業(yè)并檢查,同時(shí)可在監(jiān)控中心進(jìn)行查看。分析完成后輸出并保存材料的載荷-位移曲線以及材料應(yīng)力分布情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 載荷-位移曲線

不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的載荷-位移曲線如圖4所示?？芍瑢?shí)驗(yàn)值和模擬值取得了較好的統(tǒng)一性，且在相同位移下，載荷隨著復(fù)合材料高度的增加而減小。說(shuō)明彎曲載荷對(duì)于該復(fù)合材料的高度是敏感的。這是因?yàn)楫?dāng)工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在高度較小時(shí)，隨著材料的受力，彎曲載荷在向下傳遞時(shí)較為迅速且均勻，因此，高度為20 mm的復(fù)合材料是整體結(jié)構(gòu)在受力；而隨著高度的增加，彎曲載荷的傳遞變得較為緩慢且不均勻，因此，高度為60 mm的復(fù)合材料是材料的上層在受力，所以材料所承受的彎曲載荷隨著高度的增加而減小。

圖4 不同高度下的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的載荷-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of experiments and finite element analysis with different heights

工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲載荷-位移曲線大致可分為3個(gè)階段：第1階段為曲線趨于直線上升的階段，是因?yàn)楫?dāng)壓頭剛開(kāi)始與復(fù)合材料的表面接觸時(shí)，材料還未被破壞，隨著壓頭繼續(xù)向下，位移增加，材料受到的壓力也呈線性增長(zhǎng)的狀態(tài)；第 2階段為曲線小幅度增長(zhǎng)階段，這一階段產(chǎn)生的原因是隨著壓頭的深入，位移不斷增加，材料所受的力也越來(lái)越大，達(dá)到最大值；第3階段為曲線趨于直線下降階段，該部分產(chǎn)生的原因是材料可承受壓力的區(qū)域已被完全破壞，貫穿阻力減小,因此，載荷隨位移的增大而呈線性減小。

工字形三維機(jī)織復(fù)合材料常作為工程中承重材料，因此，對(duì)其彎曲強(qiáng)度和最大載荷的研究是必不可少的。表3示出不同高度下復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的最大載荷誤差，表4示出不同高度下的彎曲強(qiáng)度誤差。

表3 不同高度下的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的最大載荷誤差Tab.3 Errors of maximum load of experiments and FEM with different heights

表4 不同高度下的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的彎曲強(qiáng)度誤差Tab.4 Errors of bending strength of experiments and FEM with different heights

由表3、4可知，不同高度下實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的最大彎曲載荷和彎曲強(qiáng)度的最小誤差為2.3%，最大誤差為6.7%，即實(shí)驗(yàn)值和模擬值取得了較好的統(tǒng)一性，表明該模型可用來(lái)預(yù)測(cè)不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲載荷。二者之間產(chǎn)生誤差的原因可能是：在ABAQUS中假設(shè)材料是平滑的，纖維與樹(shù)脂之間是均勻散布的，網(wǎng)格的劃分是均等的，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于種種原因，并不能保證材料中的纖維與樹(shù)脂之間是均勻散布的。

3.2 能量-位移曲線

能量是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，因此，在Origin8.5中對(duì)載荷-位移曲線進(jìn)行積分得到材料的能量-位移曲線。圖5示不同高度下工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的能量-位移曲線。

圖5 不同高度下實(shí)驗(yàn)及有限元模擬的能量-位移曲線Fig.5 Energy-displacement curves of experiments and finite element analysis with different heights

由圖5可知，不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的吸收能量隨著復(fù)合材料高度的增加而減小，且實(shí)驗(yàn)值和模擬值取得了較好的統(tǒng)一性，說(shuō)明這一模擬工具可用來(lái)預(yù)測(cè)不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的吸收能量。同時(shí)，從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的總體趨勢(shì)相同，說(shuō)明ABAQUS的模擬結(jié)果有效且合理。

3.3 破壞模式圖

工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在壓頭作用于復(fù)合材料初期時(shí)，復(fù)合材料主要表現(xiàn)為樹(shù)脂基體的破壞，材料本身并沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，材料的承載能力呈現(xiàn)出接近于線性變化趨勢(shì)。隨著壓頭的繼續(xù)作用，基體破壞產(chǎn)生的裂紋慢慢擴(kuò)散到纖維與基體的接觸處，以及纖維內(nèi)部發(fā)生脫黏現(xiàn)象。最終纖維發(fā)生破壞從而斷裂導(dǎo)致材料失效，承載能力瞬間降低。由于不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料在同一加載速度下，其破壞模式基本相同，因此，以20 mm高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料為例，對(duì)比分析試樣的模擬云圖與實(shí)驗(yàn)最終形態(tài)，如圖6所示。

圖6 高度為20 mm的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)與有限元模擬破壞形貌Fig.6 Photographs of experiments (a) and finite element analysis (b) of 3-D I-shaped woven composites with height of 20 mm

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)和模擬的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的破壞效果基本相同。從實(shí)驗(yàn)破壞圖中可以看出，材料出現(xiàn)樹(shù)脂破裂，部分纖維發(fā)生斷裂，但并不能明顯的看到纖維從材料中抽出來(lái)，同時(shí)材料并沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都說(shuō)明工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的整體性較好。

根據(jù)圖6中的破壞形貌圖可以看出，工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的破壞主要集中在上下3點(diǎn)，即材料與實(shí)驗(yàn)儀器接觸的3個(gè)點(diǎn)上，上表面表現(xiàn)為壓縮破壞，下表面表現(xiàn)為拉伸破壞。同時(shí)可以從有限元模擬實(shí)驗(yàn)中得到材料在任意時(shí)刻和位移的應(yīng)力云圖。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)織造工藝的合理設(shè)計(jì)，在普通織機(jī)上成功織造了不同高度的工字形三維機(jī)織物，并得到一種可以織造高度不受織機(jī)綜框數(shù)目限制的工字形三維機(jī)織物的方法。

2)隨著工字形三維機(jī)織復(fù)合材料高度的增加，該復(fù)合材料的纖維體積分?jǐn)?shù)、最大彎曲載荷以及吸收能量均是逐漸降低的。當(dāng)該復(fù)合材料高度較小時(shí)，材料整體結(jié)構(gòu)受力，彎曲載荷在向下傳遞時(shí)較為迅速且均勻；而隨著高度的增加，材料上層受力，彎曲載荷的傳遞變得較為緩慢且不均勻，所以材料的彎曲性能隨著其高度的增加而減小。

3)不同高度的工字形三維機(jī)織物的破壞模式基本相同，因此，通過(guò)對(duì)比高度為20 mm的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)破壞圖和ABAQUS破壞模擬圖發(fā)現(xiàn)，二者具有很好的一致性，驗(yàn)證了該模型使用的可行性，可用該模型推測(cè)不同高度的工字形三維機(jī)織復(fù)合材料的彎曲性能。