基于ABAQUS 探究機織柔性復合膜材的拉伸性能

陳銘遠，林海濤，杜硯文，陽辰峰，趙心雨

[1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.關(guān)點質(zhì)量檢測（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000]

0 引言

近年來織物柔性復合材料的應(yīng)用愈加廣泛，例如建筑物的包覆材料、飛艇氣倉、飛機蒙皮等等，或者作為間隔織物的雙側(cè)材料使用。相比于傳統(tǒng)剛性復合材料，柔性復合材料具有質(zhì)量輕、可塑性強、韌性高、包覆效果好等優(yōu)點。同時柔性復合材料具有良好的耐化學性能和力學性能；拉伸作為材料的最基本力學性能，材料的沖擊性能等測試本質(zhì)上是一種變速拉伸，其力學性能不僅與內(nèi)部織物結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與涂層的等效基體強度有關(guān)。

織物增強柔性膜作為一種新式復合材料，目前國內(nèi)外已有對柔性材料的力學性能的機理分析。ZHANG[1]進行多組單軸拉伸試驗，研究缺口形狀、缺口尺寸、試樣尺寸和加載速率對中心撕裂行為的影響后，提出了含初始缺口PVC 涂層織物的撕裂分析模型，以預(yù)測不同缺口試樣的撕裂強度。Shi[2]通過飛艇結(jié)構(gòu)的典型復合織物自行設(shè)計雙層十字形試樣，隨后進行雙軸拉伸試驗。由于試樣的剛度分布合理，進行了不同經(jīng)緯應(yīng)力比下表征雙軸拉伸強度的雙軸拉伸破壞。該研究發(fā)現(xiàn)當試件達到承載能力時，出現(xiàn)了交叉縫斷裂和單縫斷裂兩種破壞模式。Chen[3]對層合織物URETEK3216 LV 進行了單軸、單軸和雙軸循環(huán)加載的綜合試驗研究，揭示了層合織物在特定應(yīng)力狀態(tài)下的詳細力學行為，確定了合適的彈性參數(shù)。利用彈性模量—應(yīng)變曲線和彈性參數(shù)響應(yīng)面揭示力學行為，提出了一種加權(quán)平均積分方法計算不同應(yīng)力狀態(tài)下的彈性參數(shù)。結(jié)果表明，典型的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在加載過程中由3 個截然不同的區(qū)域組成：卷曲區(qū)、非線性過渡區(qū)和紗線伸展區(qū)，這與本構(gòu)紗線一致。層壓織物的彈性參數(shù)和力學行為具有應(yīng)力狀態(tài)特異性，且隨著實驗方案、應(yīng)力比和應(yīng)力水平的不同而有明顯的變化。Yu[4]研究3 種WKSF 在屈服階段存在明顯差異。隨著層數(shù)的增加波動變得更加頻繁,三層WKSF 的彈性模量最大。在抗疲勞壓縮試驗中,三種WKSF 的壓縮趨勢一致。在低速沖擊試驗中,只有3 種WKSF 的最上層由于其獨特的結(jié)構(gòu)而損壞。兩層的WKSF 吸收了更多的能量,具有最好的低速抗沖擊能力。拉伸斷裂機制[5-6]主要為純剪切破壞、扭轉(zhuǎn)剪切破壞、拉剪耦合破壞[7-9]?，F(xiàn)階段對于柔性材料的研究大部分都在失效機理探究上，以及相關(guān)柔性傳感器的研發(fā)，對于本材料建模仿真領(lǐng)域[10-11]的研究還不充足。

本研究機織柔性復合材料是高強度聚酯纖維編織的結(jié)構(gòu)，其外表面通過熱壓工藝包裹PVC 涂層得到。探究織柔性復合材料拉伸性能與后續(xù)仿真結(jié)果，具有一定的實際意義。

1 實驗

1.1 材料與設(shè)備

材料為PVC 與機織高強工業(yè)聚酯纖維通過熱壓工藝成型的復合材料，材料正反面外觀如圖1 所示，織物參數(shù)見表1。

圖1 材料正反面

表1 織物材料參數(shù)

1.2 實驗方案

為了應(yīng)變率達到0.1ps，需要盡可能縮小測試標距段。本研究按照ISO 8256-2004 中type3 樣條通過壓片機取樣，使用MTS Criterion Model 43，5000N 微機控制電子萬能試驗機進行測試；樣條有效測試區(qū)域為10mm×10mm；測試速度根據(jù)應(yīng)變率換算，0.01ps 和0.1ps 分別對應(yīng)6mm/min 和60mm/min；應(yīng)變測試儀器為10mm 引伸計（三星Y10/5-N），應(yīng)變采集儀為東華測試DH3818Y 靜態(tài)應(yīng)變測試儀，夾具上下兩端分別夾持樣條上下夾持端，保持縱向豎直裝放。拉伸裝置與測試如圖2。

圖2 拉伸裝置與測試照片

2 機織柔性復合材料建模

2.1 二維Hashin 理論

由于復合材料采用熱壓工藝制成，從某種角度來看，可以采用層合板理論來分析材料失效行為，本研究采用二維Hashin 理論來判斷材料內(nèi)部損傷，包括增強纖維和等效基體的拉伸損傷和壓縮損傷判定，本研究只用來判定材料拉伸失效。

其中公式（1）為材料纖維方向拉伸失效，公式（2）為基體方向拉伸失效，式中XT、YT為橫縱向拉伸強度，SL為縱向剪切強度，在ABAQUS 中對應(yīng)材料類型為Lamina。

2.2 模型建立

機織結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)結(jié)構(gòu)具有周期性，所以建模時建立最小可重復型單元即可。在SolidWorks 中建立相關(guān)模型，建立兩層鋪層，由一層PVC 材質(zhì)和一層機織物組成，如圖3。建模切割成type3 大小樣條，在裝配體模塊進行組裝，導入Hypermesh 中進行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格類型為S3，網(wǎng)格數(shù)量11728，復合材料織物有限元模型如圖4。

圖3 鋪層與模型正反面示意圖

圖4 有限元模型

2.3 有限元模擬

在拉伸過程有限元模擬中選用顯示求解器ABAQUS/Explicit 來進行相關(guān)模擬分析，顯示動力學中時間步長為實際時間，設(shè)置好相應(yīng)的Field Output Requests 和History Output，在樣條上下中心處各設(shè)置一個參考點RP1 和RP2，在Interaction 模塊中的Constraint 中，將上下夾持端使用Coupling 耦合在試樣上下中心點RP1 和RP2 上，耦合類型選擇Kinematic，定義相關(guān)材料參數(shù)見表2。

表2 材料相關(guān)參數(shù)

在實際的拉伸過程中，聚酯纖維內(nèi)部會存在部分缺陷，從而影響復合材料整體力學性能。所以在有限元模擬中，需要做出如下2 點假設(shè)：一是模型中聚酯纖維為連續(xù)且力學性能均一的實體材料，基質(zhì)PVC 材料具有良好的各向同性，在模壓過程中厚度保持一致；二是在SolidWorks 中織物材料在建模時要進行加厚，織物結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點為弧形，經(jīng)緯紗在交聯(lián)點完全接觸。為了更好地模擬真實拉伸過程，在ABAQUS 中設(shè)置Tie 連接，法向行為定義為硬接觸，切向行為定義摩擦系數(shù)為0.25，測試速度分別取6mm/min 和60mm/min。

3 結(jié)果與分析

圖5 為柔性復合膜材料在0.01ps 和0.1ps 應(yīng)變率下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖可知在材料伸長率為0%～10%之間時，材料的應(yīng)力應(yīng)變呈一種良好的線性關(guān)系，且應(yīng)力增加呈緩慢趨勢，此時材料彈性模量相對較小。這是由于機織柔性復合膜材料中的經(jīng)紗由靜態(tài)屈曲不斷被拉直的原因；同時通過對比材料拉伸應(yīng)變率，發(fā)現(xiàn)在材料伸長率為10%～30%時，拉伸速度越快，材料所受到的應(yīng)力也越大。此階段應(yīng)變率的提升將直接影響材料彈性模量。

圖5 實測拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

通過ABAQUS 軟件對于機織柔性復合膜材料的拉伸性能模擬，得到應(yīng)力云圖。通過工具欄remove selected 模塊進行拆分，分別觀察PVC 層與織物結(jié)構(gòu)受力情況，如圖6 所示。本研究發(fā)現(xiàn)涂層受力要小于織物結(jié)構(gòu)受力，且材料織物結(jié)構(gòu)的經(jīng)緯紗交叉點出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于本實驗為縱向拉伸，所以經(jīng)紗承受主要應(yīng)力。但在模擬中可以發(fā)現(xiàn)部分緯紗也受到應(yīng)力。原因是在拉伸過程中，隨著經(jīng)紗的拉緊，在織物材料的經(jīng)緯紗交叉點通過摩擦的形式實現(xiàn)了力的傳遞，而由于交叉點摩擦力的存在，材料容易在此區(qū)域失效。這與實際測試結(jié)果相互印證。不同應(yīng)變率仿真應(yīng)力應(yīng)變曲線對比如圖7 所示。

圖6 PVC 涂層與聚酯纖維結(jié)構(gòu)受力云圖（其中A、B為0.01ps，C、D 為0.1ps）

圖7 不同應(yīng)變率仿真應(yīng)力應(yīng)變曲線對比

4 結(jié)語

4.1 機織柔性復合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有良好的線性關(guān)系，且同種材料隨拉伸速度增大，材料拉伸強度會逐漸增大，但是速度導致的應(yīng)力增大現(xiàn)象在伸長率未達到10%前影響較小。

4.2 由拉伸應(yīng)力云圖可知，拉伸樣品受力最大處在內(nèi)部織物結(jié)構(gòu)上，經(jīng)緯紗的交織點上會由于經(jīng)緯紗的滑動摩擦出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以在后續(xù)工程應(yīng)用上強化交織點部分，從而達到增強材料力學性能的目的。

4.3 本研究通過實驗測試了機織柔性復合膜材料的拉伸性能，實驗數(shù)值與仿真結(jié)果曲線上升趨勢具有良好的一致性，證實了仿真實驗的可行性，為柔性材料的工程應(yīng)用以及不同的織物成型方式提供參考。