基于ABAQUS鍍鋁碳纖維編織格柵的拉伸性能

劉站 李晶 彭鎮(zhèn)

摘 要：為探究鍍鋁碳纖維平紋編織格柵在大變形條件下的力學行為，采用試驗與有限元模擬結合的方法，按照國標GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》使用電子萬能試驗機對格柵試樣進行拉伸性能測試;在Pro/E中建立格柵試樣單胞模型，并導入有限元軟件ABAQUS中對其進行拉伸模擬，通過試驗數據驗證仿真分析的有效性。結果表明：鍍鋁碳纖維平紋編織格柵具有高度非線性;經緯紗交織處容易產生應力集中，最易發(fā)生破壞失效;試驗數值曲線與仿真數值曲線上升趨勢一致且相差較小，驗證了格柵模型仿真分析是可行的，為鍍鋁碳纖維編織格柵的設計及工程應用提供參考。

關鍵詞：鍍鋁碳纖維編織格柵;拉伸性能;ABAQUS;應力位移

中圖分類號：TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0047-07

Abstract： In order to investigate the mechanical behavior of aluminized carbon fiber plain braided grid under the condition of large deformation， the tensile properties of the grid sample were tested by electronic universal testing machine through the method of experiment combined with finite element simulation according to GB/T 1447-2005 Fiber-reinforced plastics composites-Determination of tensile properties. A unit cell model of the grid sample was established in Pro/E and imported into the finite element software ABAQUS for the subsequent tensile simulation. The validity of the simulation analysis was verified by the test data. The results show that the aluminized carbon fiber plain braided grid is highly nonlinear. The intersections of warp and weft yarns are prone to stress concentration and even destruction and failure. The experimental numerical curve exhibited an upward trend， which was consistent with the simulation numerical curve， and the difference is small. Thus， the feasibility of the simulation analysis of the grid model was verified， providing reference for the design and engineering application of aluminized carbon fiber braided grid.

Key words： aluminized carbon fiber braided grid; tensile properties; ABAQUS; stress- displacement

碳纖維是一種含碳量高于95%的特種纖維材料，因其具有質量輕、強度高等優(yōu)點，常作為金屬基、樹脂基等復合材料的增強體使用，目前已廣泛應用于汽車工業(yè)、航空航天、交通及醫(yī)療等領域[1]。金屬基碳纖維材料既具有金屬的良好塑性和韌性，同時兼?zhèn)涮祭w維的優(yōu)異力學性能，一直是當前材料領域研究的熱點。在高溫狀態(tài)下，金屬容易與碳纖維生成金屬碳化物，使得材料的性能降低，因此多選熔點較低的金屬作為復合材料的基體，如鋁/鋁合金、鎂、銅等，其中鋁/鋁合金具有較好的延展性、低密度，以及對纖維填充結合的蠕變成型能力強等優(yōu)點，使得鋁/鋁合金在發(fā)展復合材料中備受青睞。與傳統(tǒng)樹脂基碳纖維相比，鋁基碳纖維復合材料具有耐高溫、防輻射、導電性能好等優(yōu)點。當前軍工裝備等尖端領域的特殊性，對材料的功能要求更為苛刻，因此開發(fā)高性能材料并投入使用迫在眉睫，這也為鋁基碳纖維復合材料的發(fā)展注入了強勁動力，這也顯示出這類材料的巨大應用潛力。鍍鋁碳纖維是以金屬鋁為基體，連續(xù)碳纖維為增強體，經電鍍后使得金屬鋁附著在碳纖維絲束表面，是鋁基碳纖維復合材料的其中一種形式，鍍鋁碳纖維編織格柵是在鍍鋁碳纖維絲束的基礎上，經編織后得到的結構形式，對其力學性能及應用進行探究具有一定的現實意義。目前，涉及碳纖維的研究多見于層合板與織物形式。因此，探究鍍鋁碳纖維編織格柵在大變形條件下的力學行為，具有一定的理論意義和實際應用價值。

相較于平紋織物，平紋編織格柵在結構上最大的區(qū)別在于經緯紗密度較少，且碳纖維復合材料多見于織物形式。因此，在對編織格柵拉伸研究中，可以借鑒織物的拉伸研究方法。目前，已有的研究探討了碳纖維編織織物單軸拉伸性能，通過編織角度對比分析了其力學性能[2]。隨著計算機技術的發(fā)展，仿真輔助工具被越來越多地應用在織物的性能預測中，劉倩楠等[3]提出一種評價和預測機織物拉伸性能的方法，通過模擬仿真與織物拉伸實驗對比，驗證數值模擬結果的有效性;李瑛慧等[4]基于織物周期邊界條件理論和紗線拉伸試驗，仿真模擬分析了三原織物的拉伸性能。針對不同種類的增強纖維織物，也有學者對其拉伸性能進行了研究，敬凌霄等[5]對增強紗以及滌綸雙軸向經編織物和四軸向經編織物各纖維方向進行拉伸性能測試，分析了增強紗拉伸斷裂強力和斷裂伸長、雙軸向和四軸向經編織物拉伸過程中的平均載荷-位移關系曲線，以及織物中的紗線強力利用率。李婉婉等[6]以玄武巖纖維、碳纖維為原料，設計出5種不同混雜比的三維正交織物，利用真空輔助成型工藝制備了乙烯基酯樹脂基混雜復合材料，對其拉伸性能進行了測試，重點分析玄武巖纖維在織物中所占比例對復合材料拉伸性能的影響。蔣詩才等[7]制備了一種新型碳纖維復合材料格柵結構，通過試驗研究了格柵結構單胞邊長以及結構高度對格柵結構吸波/承載的影響，并測試了格柵結構的力學性能。張尉博等[8]通過數值模擬方法，探究格柵結構參數對型面熱變形的影響程度。單慶布等[9]分析歸納了碳纖維復合材料格柵結構與金屬材料格柵結構傳熱影響因素與規(guī)律。材料拉伸性能是材料最基礎的力學性能，反映碳纖維復合材料格柵拉伸性能的研究較少。當前，鍍鋁碳纖維生產制備工藝復雜，對設備和環(huán)境要求嚴格，是造成鍍鋁碳纖維的研究較少的原因之一。

本文以T300-3K鍍鋁碳纖維平紋編織格柵為研究對象，按照國標GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》使用電子萬能試驗機對鍍鋁碳纖維平紋編織格柵試樣進行拉伸性能測試，通過仿真與試驗對比，旨在探究鍍鋁碳纖維平紋編織格柵在大變形條件下的力學行為，對比實驗與仿真結果驗證有限元理論數值分析的可行性。

1 實 驗

1.1 材料與設備

圖1所示為鍍鋁碳纖維絲束。T300-3K碳纖維（臺灣地區(qū)臺麗公司），單絲直徑7 μm;鍍鋁碳纖維絲束（威海展鵬公司），鍍鋁碳纖維實際生產工藝中的缺陷和誤差在可接受范圍內，其中鋁體積分數為7%，碳纖維體積分數93%。

鍍鋁碳纖維絲束截面形狀如圖2所示。碳纖維絲束截面形狀如圖3所示，纖維橫截面端部寬度為L，纖維橫截面中間寬度為T，纖維絲束厚度為B，橫截面半徑為R，橫截面圓心角為θ，橫截面面積為S，可得到如下關系。

R=4L2+B24B（1）

θ=cos-11-B2R（2）

S=TB+2R2θ-R2sin2θ（3）

本研究對象為T300-3K鍍鋁碳纖維平紋編織格柵，其相關性能參數如表1所示。

在實際的編織過程中，經/緯紗交點處存在屈曲現象，因此，織物的實際厚度大于經/緯紗直接疊加厚度，該鍍鋁碳纖維絲束可織性偏差，經緯紗過密容易出現斷裂現象，因此經緯紗之間得保持5 mm的最小間隔，圖4為織物幾何結構圖。

1.2 試驗方案

按照國標GB/T1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》使用UTM5205X，200 kN微機控制電子萬能試驗機對鍍鋁碳纖維平紋編織格柵試樣進行拉伸性能測試。除去夾持所需長度，試樣有效尺寸為150 mm×30 mm。試驗時，沿格柵縱向進行拉伸，縱向為經紗方向，橫向為緯紗方向，拉伸速度為2 mm/min。為了加大試樣與夾具之間的摩擦力防止出現滑脫現象，加強片區(qū)域采用0.5 mm厚的牛皮紙包裹。試樣寬度滿足夾具夾持條件，裝夾時使試樣縱向與夾具上下夾頭的加載軸線重合，確保實驗臺固連的夾具處于完全固定狀態(tài)。試驗條件設定為：常溫狀態(tài)下，等速伸長（CRE），上下夾具間隔150 mm，取5組合格試樣進行分析，輸出格柵拉伸實驗力-位移曲線，拉伸示意如圖5所示。

2 格柵拉伸有限元模擬

2.1 模型建立

平紋編織格柵在平面內其結構形式具有周期性，為簡化分析，提高計算速度，可取其最小可重復結構即單胞模型開展研究[10]。在Pro/E中，對鍍鋁碳纖維編織格柵結構化建模，鍍鋁碳纖維平紋編織格柵單胞模型如圖6所示。碳纖維及鋁膜基本力學參數如表2所示。

2.2 有限元模擬

ABAQUS是一款功能強大的工程模擬有限元軟件，它既可以分析復雜的結構力學問題，又能求解復雜的非線性問題[11]。

為確保單胞模型能夠表征試樣的整體性能，需要對編織格柵單胞施加周期性邊界條件。依據Whitcomb等[12]和Xia等[13]提出的周期性邊界條件理論，推導出格柵單胞拉伸所需周期性邊界條件公式。圖7為格柵單胞坐標示意圖，其中w=6.5 mm（沿y軸方向單胞長度），l=6.5 mm（沿x軸方向單胞長度），h=1.34 mm（沿z軸方向單胞長度），A、B、C、D、E、F、G、I為單胞頂點處的節(jié)點。

為了消除單胞剛體位移，約束坐標原點A以及沿x、y、z 3個方向B、D、E頂點的自由度。表達式如下：

UxA=UyA=UzA=0

UxB=UyE=UzD=0（4）

式中：Ux、Uy、Uz表示為沿x、y、z方向的位移;A、B、E、D對應單胞頂點處的節(jié)點。

二維編織復合材料周期性邊界條件公式為

U（k+）i-U（k-）i=εijΔx（k）j=cji（5）

式中：U（）i為邊界上周期位移修正量;i、j（i=1，2，3;j=1，2，3）分別為坐標的3個方向;k+、k-分別表示法向沿坐標軸正負2個方向的周期性邊界面;εij為單胞平均應變;Δx（k）j為單胞內任意2個點的坐標位移差;cji為常量。推導出單胞面上節(jié)點周期性邊界條件如下。

法向沿x軸

Uxx=l-Uxx=0=0-UxD=0

Uyx=l-Uyx=0=0-UyD=0

Uzx=l-Uzx=0=0-UzD=0（6）

法向沿y軸

Uxy=w-Uxy=0=0-UxB=0

Uyy=w-Uyy=0=0-UyB=0

Uzy=w-Uzy=0=0-UzB=0（7）

式中：Ux、Uy、Uz表示為沿x、y、z方向的位移;B、D為對應單胞頂點處的節(jié)點;下標等式表示對應面上的節(jié)點。格柵試樣在沿z軸方向上，其結構不具有周期性，因此，法向沿z軸的面不需要施加周期邊界約束。同時，還需施加棱邊節(jié)點約束以及頂點約束，其周期性邊界條件推導與面上節(jié)點約束原理相同。結合單胞結構幾何參數，在ABAQUS中對單胞施加周期性邊界條件，建立位移約束方程。

在分析計算階段，本研究使用顯示求解器模塊ABAQUS/Explicit進行計算。格柵的經/緯紗結構由鋁膜和碳纖維組成，經/緯紗橫截面近似橢圓形，采用掃略中性軸算法并定義掃略路徑，經/緯紗模型結構中的鋁膜和碳纖維均采用六面體單元進行網格劃分。織物經/緯紗有限元模型如圖8所示。

由于實際的鍍鋁碳纖維絲束表面及內部存在部分缺陷，在創(chuàng)建拉伸模擬時，作出以下假設：a）將鍍鋁碳纖維絲束表面、纖維內部看作均勻實體且絲束處于完全平直狀態(tài)。b）鍍鋁碳纖維絲束截面為橢圓形，絲束與鋁膜完全結合，因此設置碳纖維絲束與基體鋁膜為Tie約束。定義經紗與緯紗之間的切向摩擦系數為0.17，經紗與緯紗之間的接觸算法為“all with self”。在格柵經紗截面一端建立參考點RP-1，設置參考點RP-1與織物經紗截面為MPC耦合約束，在參考點RP-1上施加拉伸速度2 mm/min。

3 結果與討論

表3所示為試樣拉伸破壞載荷。在實際拉伸過程中，輸出的力-位移曲線非線性明顯，數值波動較大。從五組試驗數據中取上升趨勢較好且數值較穩(wěn)定的兩組試驗數據，輸出格柵拉伸試驗力-位移曲線，如圖9所示。由圖9可知鍍鋁碳纖維編織格柵在拉伸試驗中波動性較大，其力-位移曲線具有高度非線性，這是由于試件在拉伸過程中，經紗中纖維斷裂不一致造成的。當拉伸位移達到1.3 mm后，經紗出現大量斷裂現象。因此，為保證數據的準確性取1.3 mm以內的力-位移曲線為參考。為了更準確反應格柵拉伸響應，將試樣-1、試樣-2的力-位移數據取平均值擬合為曲線，如圖10所示。

由圖9可知，位移在0到1.3 mm之間時，力-位移之間表現出較好的線性關系;位移達到1.3 mm時，格柵拉伸開始出現較大的波動性。在有限元模擬中，選取位移在0到1.3 mm之間的數據，并與試驗數據進行對比。經ABAQUS分析計算，單胞模型拉伸應力分布云圖如圖11所示。經/緯紗交織點處所受應力最大。通過觀察試件實際拉伸過程，經紗在拉力作用下由屈曲狀態(tài)逐漸伸直，由于本研究模擬的是縱向（即徑向）拉伸，經紗承受主要拉力，因此其應力分布明顯。在應力云圖中可以明顯地看到，經紗緯紗通過交織點相互接觸實現力的傳遞，由于交織點處摩擦力的作用，使得緯紗產生滑移和形變，容易產生應力集中，最易發(fā)生破壞失效，這與實際試驗相符。

通過ABAQUS對單胞試件拉伸性能的模擬，得到應力-位移數值曲線，并與試樣平均數值曲線進行對比，如圖12所示。由試驗數值曲線可知，位移在0～0.4 mm時，應力和彈性模量相對較小，這是由于屈曲的經紗逐漸被拉直造成的;位移在0.4～0.8 mm時，試驗數值曲線出現了拐點;位移在0.8～1.3mm時，試件進入彈性階段，紗線所受應力呈線性增長。因此，該試件的拉伸實驗能夠表征出鍍鋁碳纖維平紋編織格柵的力學特性。由仿真數值曲線與試驗數值曲線對比可知，仿真數值曲線與實驗數值曲線上升趨勢較吻合，存在的誤差在可接受范圍內，能較準確地反映出格柵拉伸力學響應。

4 結 論

以T300-3K鍍鋁碳纖維平紋編織格柵為研究對象，結合拉伸試驗與仿真分析方法，探討了鍍鋁碳纖維編織格柵的力學性能，主要研究結論如下：

a）通過試驗測定的試件拉伸性能數據能夠表征出鍍鋁碳纖維平紋編織格柵的力學特性。試驗數值曲線與仿真數值曲線上升趨勢具有較好的一致性，證明有限元分析的可行性，為鍍鋁碳纖維平紋編織格柵的設計及工程應用提供參考。

b）由試驗數值曲線可知鍍鋁碳纖維編織格柵在拉伸試驗中波動性很大，其力-位移曲線具有高度非線性。

c）由格柵應力云圖可知，經緯紗交織處最易產生應力集中發(fā)生失效破壞，且應力演變云圖與實際相符。

由于碳纖維屬于各向異性材料，其復合材料的力學響應較為復雜，在今后的研究中對鍍鋁碳纖維的損傷效應將進一步展開分析。

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