三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展

吳亞波，江小州，劉 帥，袁 航，張堯毅，惠永博，侯榮彬

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610056）

三維編織復(fù)合材料因其整體復(fù)雜的空間纖維結(jié)構(gòu)，顯著地提高了材料的強(qiáng)度和剛度，從根本上克服了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層等致命弱點，還保持了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)承載變形的整體性[1]；此外，還具有結(jié)構(gòu)整體性好、可設(shè)計性強(qiáng)、抗沖擊和疲勞性能高等諸多優(yōu)點，受到工程界的普遍關(guān)注，并成為航空、航天、軍工、生物醫(yī)療、體育用品等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料[1-2]。隨著它的廣泛應(yīng)用，深入研究其力學(xué)性能并作出準(zhǔn)確預(yù)報顯得尤為重要。

國內(nèi)外在近30年內(nèi)對三維編織復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與觀力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究和探索 取得了一些突出的成就 并逐漸發(fā)展成力學(xué)和材料領(lǐng)域的一個熱門研究方向。在試驗方面，自20世紀(jì)80年代起，MACANDER等[3]就對三維編織復(fù)合材料的拉壓剪彎等典型靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究；KALIDINDI等[4]研究了纖維體積含量和編織角對材料力學(xué)性能的影響；SHIVAKUMAR等[5]進(jìn)一步揭示了三維編織復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和失效機(jī)制。關(guān)于三維編織復(fù)合材料沖擊力學(xué)行為和斷裂形態(tài)隨應(yīng)變率的變化趨勢也有相關(guān)報道[6-7]。

在理論研究方面，由細(xì)觀結(jié)構(gòu)預(yù)測三維編織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的分析方法主要分為兩大類，即解析法和有限元法[8]。早期研究大多采用解析法來預(yù)測三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，其中主要包含修正層合板理論[9-10]、彈性應(yīng)變能[11]、彈性張量平均法[12-15]、三胞模型法[16-17]、等效夾雜法[18-19]、均勻化法[20]。隨著計算機(jī)的發(fā)展和普及，各種有限元計算方法及理論得到進(jìn)一步完善，通過建立有限元分析模型并進(jìn)行數(shù)值計算來預(yù)報三維編織復(fù)臺材料力學(xué)特性的工作受到更多關(guān)注。目前，對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的數(shù)值分析，大都是采用細(xì)觀力學(xué)的方法，構(gòu)造三維編織復(fù)臺材料的細(xì)觀力學(xué)模型，再用有限元方法預(yù)報其力學(xué)性能[8]。

近些年，對于三維編織復(fù)合材料力學(xué)行為的研究和探索取得了一些突出的成就并逐漸發(fā)展成為力學(xué)和材料領(lǐng)域的一個熱門研究方向。本文中將從試驗和理論兩個方面對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能近些年的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述，重點介紹近幾年的工作和作者的一些研究結(jié)果，并對未來的研究趨勢進(jìn)行展望。

1 三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗研究

關(guān)于三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗研究的報道大多集中于壓縮性能。ZHANG等[21]對四步三維編織復(fù)合材料在面內(nèi)和面外兩個方向進(jìn)行了沖擊壓縮試驗，試驗狀態(tài)包含準(zhǔn)靜態(tài)（10-3s-1）和應(yīng)變率（分別為800 s-1、1 500 s-1、2 100 s-1）。結(jié)果表明，這種材料表現(xiàn)出非常明顯的率敏感性，最大應(yīng)力隨應(yīng)變率非線性增長，壓縮剛度隨應(yīng)變率線性增長。對比靜止?fàn)顟B(tài)，最大應(yīng)力增長61%～179%，壓縮剛度增加125%～478%。ZHANG等[22]研究了溫度和應(yīng)變率對三維編織碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料沖擊壓縮性能的影響，試驗結(jié)果顯示溫度（23～210℃）對材料的壓縮性能起阻礙作用，而應(yīng)變率對材料的壓縮性能起積極作用。結(jié)果同時顯示材料的剪切變形是三維編織復(fù)合材料在高溫和高應(yīng)變率下的主要失效模式。PEI等[23]也進(jìn)行了溫度對壓縮性能影響的研究，在室溫、90℃、120℃、150℃下，分別加熱15 min、600 min、1 800 min、3 000 min，采用非參數(shù)分析方法研究后表明加熱溫度和加熱時間對三維編織碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料壓縮性能有明顯影響。此外，針對三維編織復(fù)合材料的壓縮性能，LI等[24]也做了相關(guān)研究，對三個方向（縱向、面內(nèi)、橫向）具有不同纖維編織參數(shù)的材料分別在室溫和液氮溫度下進(jìn)行壓縮試驗，結(jié)果表明，不同方向應(yīng)力應(yīng)變曲線明顯不同，液氮溫度下壓縮性能較常溫情況有明顯提高，失效模式受到溫度的影響，壓縮性能受到纖維編織參數(shù)的影響。PAN等[25]研究了低溫場（26℃、﹣50℃、﹣100℃、﹣140℃）高應(yīng)變率（1300s﹣1）下材料的壓縮性能，得到的結(jié)論與之前總結(jié)的結(jié)論相近，不再贅述。

除三維編織復(fù)合材料壓縮性能試驗研究外，TANG等[26]研究了3D編織C-C復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和失效機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，單螺栓連接最終為韌性破壞，載荷位移曲線為非線性，雙螺栓連接失效模式為脆性破壞，載荷位移曲線近似直線。JING等[27]研究了三維四步編織SiC/SiC復(fù)合材料高溫下（1 100℃和1 300℃）的拉伸蠕變行為，在1 300℃下，拉伸蠕變行為表現(xiàn)出長瞬態(tài)蠕變，蠕變率隨時間下降，而1 100℃時，材料表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定蠕變率機(jī)制，蠕變變形也小于1 300℃時的情況。蠕變斷裂時間在兩種溫度下有所不同。LUO等[28]改進(jìn)了PIP工藝制造的三維四向SiC/SiC復(fù)合材料的先驅(qū)體，進(jìn)行了四組試驗，分別為無涂層+LPVCS、無涂層+PCS、PyC+LPVCS、PyC+PCS，結(jié)果顯示：PyC+LPVCS組試驗結(jié)果最優(yōu)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到619.4 MPa，斷裂韌性為29.1 MPa·m1/2，說明采用改進(jìn)后LPVCS先驅(qū)體能大幅提高材料性能。

國內(nèi)也不乏試驗研究三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的相關(guān)報道。張迪等[29]對比研究三維多向編織和層合板復(fù)合材料的力學(xué)性能。四種三維多向編織結(jié)構(gòu)分別利用三維四向、三維五向、三維六向和三維七向編織工藝制備；三種層合復(fù)合材料利用簾子布制成，分別為0°單向板、90°單向板和層合板［0/（±45）2/90］2s。同時進(jìn)行拉伸、壓縮和剪切試驗。結(jié)果表明與三維編織試樣相比，0°單向板的拉伸和壓縮性能最高，而其他層合試樣的各項性能均較低；對于編織試樣，編織角越小，縱向拉伸和壓縮性能越高，剪切性能越低；發(fā)現(xiàn)編織結(jié)構(gòu)和編織角是影響材料破壞模式的重要因素。李翠敏等[30]研究了三維編織碳纖維復(fù)合材料的剪切性能，結(jié)果表明，三維五向較三維四向編織復(fù)合材料剪切性能好；三維編織復(fù)合材料剪切強(qiáng)度沿長度方向隨著編織角的減小而增加；切邊三維編織復(fù)合材料試件受剪切破壞時在加載點附近側(cè)表面裂縫沿紗線走向分布，上下兩表面發(fā)生彎曲破壞。李蘇紅等[31]試驗分析評價了編織結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料拉伸性能的影響，且對復(fù)合材料的破壞模式進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，編織角、復(fù)合材料尺寸、纖維體積含量、軸向紗數(shù)與編織紗數(shù)之比等對復(fù)合材料的性能有較大的影響，復(fù)合材料有兩種破壞模式，一種是裂紋沿纖維束擴(kuò)展，另一種是纖維束拉斷，后者為主要破壞模式。

2 三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的理論研究

2.1 幾何模型和力學(xué)模型

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測三維編織復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能需要正確地描述其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的幾何性，了解材料中纖維束的走向、交織方式及其截面形狀。XU等[32]針對三維編織復(fù)合材料力學(xué)模型和彈性性能預(yù)測做了一系列工作，首先提出了一種三維編織復(fù)合材料多胞模型，依據(jù)新的單胞劃分方法，多胞模型包含五種單胞模型，分別為內(nèi)部、內(nèi)面、外面、內(nèi)角和外角單胞模型，如圖1所示。

圖1 五胞模型

編織復(fù)合材料中的每種代表體積單元有其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和纖維體積含量。基于這種五胞模型，分析了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)和編織參數(shù)之間的關(guān)系。此外還分析了編織角對編織紗線擠壓狀況的影響。然后XU等將上述方法和理論進(jìn)一步豐富并應(yīng)用于其他三維編織復(fù)合材料，取得了豐碩的成果：基于多胞模型，應(yīng)用剛度體積平均方法預(yù)測三維全五向編織復(fù)合材料彈性性能[33-34]；引入平均紗線扭曲角考慮紗線扭曲和殼-核結(jié)構(gòu)對三維編織復(fù)合材料彈性性能的影響，詳細(xì)分析了編織角、纖維體積分?jǐn)?shù)、攜紗數(shù)對材料彈性性能的影響[35]。此外，XU等[36]針對三維六向編織復(fù)合材料提出了一種新的實體單胞模型，如圖2所示。同樣對微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和編織參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。ZHAI等[37]利用多相有限元方法對代表性單胞中的均勻材料結(jié)構(gòu)建模，提出了三種特殊單元類型，分別為基體單元、紗線單元和混合單元，如圖3所示。

圖2 實體單胞模型

圖3 三種特殊單元類型

AHN等[38]在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架下提出一種數(shù)值模型，定義三維編織復(fù)合材料每一點的紗線方向，并根據(jù)變形梯度更新紗線方向。將三維紡織復(fù)合材料假設(shè)為一些單向板的組合，每一層代表紗線的連續(xù)分布，如圖4所示。由于空洞缺陷對三維編織復(fù)合材料性能有明顯影響，DONG等[39]考慮了樹脂基體中空洞和纖維束中干斑兩種內(nèi)在缺陷，建立了纖維束和編織復(fù)合材料兩種不同尺度的代表性體積單元模型，如圖5所示。ZHANG等[40]提出纖維嵌入基體方法預(yù)測三維編織復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能，通過對比應(yīng)力應(yīng)變曲線、全場位移和應(yīng)變場，確定該方法是準(zhǔn)確可靠的。

圖4 連續(xù)性單胞模型

圖5 考慮兩種缺陷的單胞模型

2.2 有限元分析方法

隨著對三維編織復(fù)合材料研究的不斷深入，計算機(jī)輔助的有限元分析手段也被引入到編織復(fù)合材料的性能研究中。由于編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以常用的處理方法為先簡化復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，再結(jié)合有限元方法對力學(xué)性能進(jìn)行分析和預(yù)測。HAO等[41]基于三胞模型研究了三維四向編織復(fù)合材料的拉-拉疲勞行為，使用ABAQUS建立不同編織角和纖維含量的單胞模型，分析了疲勞加載方向?qū)ζ趽p傷進(jìn)程的影響，并且討論了單胞模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對疲勞行為的影響，結(jié)果表明，平行于編織方向疲勞行為優(yōu)于垂直方向；沿著編織方向，疲勞壽命隨編織角增大而減小；纖維體積含量與疲勞壽命正相關(guān)。

WU等[42-44]針對四步三維編織復(fù)合材料彎曲循環(huán)載荷下的疲勞行為作了系統(tǒng)的研究，從微觀尺度對材料的低循環(huán)彎曲疲勞行為進(jìn)行了有限元分析，建立了微觀模型，結(jié)合有限元計算彎曲疲勞的變形和失效。應(yīng)力集中隨纖維束方向變化明顯，三維編織復(fù)合材料的抗疲勞性可以通過提高表面纖維束力學(xué)性能和減小纖維束方向角變化進(jìn)行優(yōu)化；提出一種中觀尺度數(shù)值計算方法。得到應(yīng)力分布、能量吸收、遲滯環(huán)特征等，用來解釋在三點彎循環(huán)載荷下對三維編織復(fù)合材料變形和損傷的影響；此外，基于三胞模型，對三維編織復(fù)合材料的彎曲疲勞行為進(jìn)行了數(shù)值分析。

XU等[45]在考慮空洞缺陷的情況下使用有限元方法預(yù)測了三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能，基于周期性代表體積單元，結(jié)合有限元方法分析了孔洞和缺陷對材料彈性性能的影響，同時對由缺陷引起的復(fù)合材料力學(xué)性能統(tǒng)計分布特性進(jìn)行了討論。DONG等[39]采用兩尺度有限元分析方法研究了材料內(nèi)在缺陷對材料彈性性能的影響。ZHAI等[37]應(yīng)用多尺度有限元方法研究了三維編織復(fù)合材料的彈性性能和失效強(qiáng)度，結(jié)果表明，在彎曲載荷下，編織角對材料強(qiáng)度的影響非常明顯，材料強(qiáng)度隨編織角增大而減小。WAN等[46]同樣采用多尺度模型，研究了材料在靜態(tài)和高應(yīng)變率下的壓縮力學(xué)行為?；谖⒂^纖維/基體尺度到中觀代表單胞尺度，再到宏觀材料尺度，建立了多尺度數(shù)值模型。預(yù)測和對比體胞、面胞和角胞力學(xué)性能，表明面胞和角胞在靜態(tài)和高應(yīng)變率下均扮演重要角色。ZHANG等[21]基于中觀尺度研究了三維編織復(fù)合材料的沖擊壓縮性能，結(jié)果同樣顯示面胞和角胞在靜態(tài)和高應(yīng)變率下均作為主要載荷承擔(dān)對象。JI等[47]借助多尺度有限元方法對編織復(fù)合材料的彈性性能進(jìn)行了計算，此方法第一次提出用動態(tài)代表性單胞最為編織復(fù)合材料預(yù)制體的模型，得到以下結(jié)論：編織復(fù)合材料彈性性能不關(guān)于45°對稱；面內(nèi)工程彈性常數(shù)對編織參數(shù)比厚度方向參數(shù)更敏感；對于給定的編織角，纖維含量和彈性常數(shù)線性相關(guān)。JIANG等[48]對三維編織復(fù)合材料的熱力學(xué)性能有限元分析作了研究，提出了修正有限元分析方法，預(yù)測了熱膨脹有效系數(shù)和中觀力學(xué)響應(yīng)。闡述了代表性體積單元的拉伸應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)紗線應(yīng)力隨溫度升高而明顯增大，另一方面，隨著溫度升高，同時影響基體應(yīng)力。ZHANG等[49]對比自由網(wǎng)格和周期性網(wǎng)格對三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)測結(jié)果，兩者吻合度較高，可以認(rèn)為周期性邊界條件適用于復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)單胞的網(wǎng)格生成，降低了劃分網(wǎng)格的難度，提高了網(wǎng)格生成的質(zhì)量。

3 總結(jié)與展望

由上述對三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗研究和理論研究的綜述，尤其是近些年的發(fā)展動態(tài)，做出如下總結(jié)和展望。

編織復(fù)合材料制作工藝復(fù)雜，成型過程中紗線受到擠壓和相互扭結(jié)，當(dāng)前許多單胞模型忽略了這個問題，或簡化處理，這樣并不能反應(yīng)材料真實微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料性能預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確。今后在細(xì)觀模型方面應(yīng)綜合考慮紗線扭曲、結(jié)節(jié)，原生孔洞裂紋以及纖維基體界面因素，還要將引入影響因素作用的結(jié)果與材料性能分散性相聯(lián)系?？梢越柚T、SEM、超聲掃描儀等手段研究材料微觀結(jié)構(gòu)。

編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是典型的多尺度結(jié)構(gòu)，所以多尺度分析方法應(yīng)廣泛應(yīng)用于編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的多層次的分析，可以得到編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)、應(yīng)力分布和微觀的損傷情況等。現(xiàn)有的多尺度分析大多集中于三維編織復(fù)合材料本身的性能預(yù)測，而對于三維編織材料所組成的結(jié)構(gòu)的分析和計算工作較少，目前的多尺度模擬方法與工程應(yīng)用有一定距離，需要繼續(xù)深入研究。

對三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能分析多數(shù)是彈性性能的分析研究，對編織復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的研究仍處于探索階段，由于還沒有很好地建立三維編織復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則，因此，對這種材料的強(qiáng)度預(yù)測仍然是同際公認(rèn)的難題，需要找到一種更符合三維編織復(fù)合材料特性的強(qiáng)度預(yù)測方法。

雖然有限元模型分析是研究編織復(fù)合材料的等效彈性性能的一種非常有效的分析方法，但如何給定合適的邊界條件，使其能模擬代表性單元體的實際變形與受力是需進(jìn)一步深入研究的問題。此外，有限元方法對三維編織復(fù)合材料的研究只是基于其線性關(guān)系的本構(gòu)行為。而三維編織復(fù)合材料的力學(xué)行為是典型的非線性行為，包括幾何非線性和材料非線性，今后應(yīng)當(dāng)考慮其非線性，才能更準(zhǔn)確地分析三維編織復(fù)合材料力學(xué)行為。