針刺纖維復(fù)合材料單胞模型構(gòu)建及力學(xué)性能研究進(jìn)展

梁軍 喬健偉 葛敬冉

(1 北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院,北京 100081;2 輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

針刺技術(shù)是一種廣泛使用的低成本技術(shù)，用于生產(chǎn)三維針刺復(fù)合材料。由針刺工藝制備的針刺陶瓷基或碳基復(fù)合材料具有高比剛度和強(qiáng)度，并且擁有卓越的高溫性能和較低的熱膨脹系數(shù)，在溫度變化較大的情況下能保持尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，已廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯、擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)和飛機(jī)剎車(chē)系統(tǒng)[1-5]，如圖1 所示。針刺工藝技術(shù)由法國(guó)SPS 公司提出，針刺技術(shù)通過(guò)刺針對(duì)無(wú)緯布、斜紋布、網(wǎng)胎等纖維復(fù)合料進(jìn)行疊層針刺，每根刺針上的倒刺會(huì)捕捉平面方向上的纖維，使其沿著厚度方向重新分布，形成偏轉(zhuǎn)纖維和針刺纖維束，最終不同鋪層的纖維復(fù)合料緊密結(jié)合，通過(guò)針刺技術(shù)提高了復(fù)合材料層間的力學(xué)性能。與傳統(tǒng)的三維編織、縫合等工藝相比，針刺工藝制備的預(yù)制體能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化批量生產(chǎn)，性?xún)r(jià)比高，同時(shí)適用于大變形復(fù)雜結(jié)構(gòu)[6-10]，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[11]。

圖1 三維針刺復(fù)合材料主要應(yīng)用場(chǎng)景[12,13]Fig.1 Main application scenarios of 3D needled composites[12,13]

針刺預(yù)制體具有獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔隙分布均勻、易致密成型。在針刺預(yù)制體制備過(guò)程中，由于針刺工藝參數(shù)眾多，導(dǎo)致針刺預(yù)制體內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜：一方面，針刺部位碳纖維受到損傷，發(fā)生不同程度的折斷和偏轉(zhuǎn)，形成針刺孔，針刺孔附近的纖維幾何結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的不確定性；另一方面，經(jīng)過(guò)反復(fù)針刺，針刺孔的分布密集、無(wú)序，而且相鄰針刺區(qū)域之間的相互影響難以定量化描述。材料內(nèi)部的復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致針刺復(fù)合材料的損傷力學(xué)過(guò)程難以描述，同時(shí)其力學(xué)性能也受到較大的影響，有一定的離散性。上述問(wèn)題在一定程度上限制了三維針刺復(fù)合材料在工程實(shí)際中的應(yīng)用與發(fā)展。如何從實(shí)際針刺工藝過(guò)程出發(fā)，結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)和數(shù)值分析方法，分析結(jié)構(gòu)中纖維的排布、大小和形狀等，建立包含高保真細(xì)觀纖維結(jié)構(gòu)的三維針刺復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)示模型，研究針刺工藝參數(shù)和復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)對(duì)三維針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)推動(dòng)航空航天復(fù)合材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的工程價(jià)值和理論意義。

針刺復(fù)合材料由于工藝參數(shù)眾多、纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料的力學(xué)性能與纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在密切聯(lián)系，同時(shí)考慮到材料的實(shí)際服役環(huán)境，實(shí)驗(yàn)測(cè)試是研究其力學(xué)性能的重要手段，一些學(xué)者研究了材料在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能，這些實(shí)驗(yàn)工作描述了針刺復(fù)合材料的纖維結(jié)構(gòu)，明確了針刺復(fù)合材料的基本力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、失效模式和損傷機(jī)制等，為針刺復(fù)合材料細(xì)觀尺度數(shù)值分析和損傷本構(gòu)模型的建立提供了基礎(chǔ)。細(xì)觀分析方法也是研究針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的重要手段，根據(jù)材料內(nèi)部復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)材料的有效力學(xué)性能具有重要的工程意義：一方面，通過(guò)細(xì)觀數(shù)值分析方法可以得到材料的力學(xué)性能，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，并且能夠獲得實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)試到的數(shù)據(jù)，如多種復(fù)雜載荷下的力學(xué)性能；另一方面，基于細(xì)觀分析方法可以建立材料針刺工藝、細(xì)觀纖維結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系，為針刺復(fù)合材料的制備和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從微細(xì)觀尺度出發(fā)，針對(duì)針刺復(fù)合材料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)建立了多種代表性體積單元，對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，以此縮短針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的研究周期，降低研究成本，同時(shí)研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)與材料力學(xué)性能之間的關(guān)系。本文從三維針刺預(yù)制體成型工藝過(guò)程研究、材料單胞建模方法和材料力學(xué)性能分析三方面總結(jié)和梳理近年來(lái)三維針刺復(fù)合材料單胞建模、力學(xué)性能分析及針刺復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析研究現(xiàn)狀，為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)，同時(shí)為其性能分析方法提供新的思路。

1 三維針刺纖維預(yù)制體的成型工藝及影響因素

三維針刺復(fù)合材料的制造過(guò)程包括兩部分：首先根據(jù)針刺工藝參數(shù)通過(guò)針刺成型工藝技術(shù)制造出針刺預(yù)制體，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積工藝（CVI）、真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）或液相浸漬法等技術(shù)[14]向預(yù)制體內(nèi)部填充基體，由于針刺預(yù)制體中孔隙含量較高，需要進(jìn)行反復(fù)的針刺預(yù)制體致密化周期過(guò)程，直至預(yù)制體密度達(dá)到要求，最終得到具有較高致密度的針刺復(fù)合材料。在基體填充過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多研究不同填充工藝、熱處理溫度、輔料類(lèi)型、模具結(jié)構(gòu)等對(duì)針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律[15-20]。本文聚焦于針刺預(yù)制體成型工藝過(guò)程研究，針刺復(fù)合材料力學(xué)性能受針刺成型預(yù)制體結(jié)構(gòu)影響，在針刺預(yù)制體中，針刺區(qū)域的細(xì)觀結(jié)構(gòu)無(wú)序且纖維分布情況各不相同，如纖維折斷發(fā)生偏轉(zhuǎn)的路徑形態(tài)、纖維被刺針撥開(kāi)的路徑形態(tài)等，同時(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)由針刺預(yù)制體的工藝成型過(guò)程決定。因此，明確針刺預(yù)制體的成型工藝過(guò)程是研究針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)。

針刺工藝成型過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟（如圖2 所示）

圖2 針刺工藝成型過(guò)程及預(yù)制體示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of needling process and preform[12]

1）將不同纖維復(fù)合料結(jié)構(gòu)如無(wú)緯布、平紋布、斜紋布或網(wǎng)胎鋪層進(jìn)行交替疊加；

2）帶有指定排布形式刺針的針板在疊層表面進(jìn)行針刺，針刺過(guò)程中疊層結(jié)構(gòu)隨著傳送帶水平移動(dòng)，針板按照指定的頻率上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

3）將疊層結(jié)構(gòu)水平旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)步驟（2），確保材料的針刺分布在面內(nèi)方向具有均勻一致性。

這三個(gè)步驟需要循環(huán)執(zhí)行，直至預(yù)制體達(dá)到所需的厚度和針刺密度。完成針刺后，通常需要對(duì)預(yù)制體進(jìn)行修整，以確保其達(dá)到所需的尺寸和平整度。在針刺的過(guò)程中，刺針的倒鉤每次會(huì)將一部分平面內(nèi)的纖維引導(dǎo)至厚度方向，形成偏轉(zhuǎn)纖維和針刺纖維束，這些厚度方向的纖維通過(guò)相互纏繞，使針刺預(yù)制體緊密結(jié)合在一起。

到目前為止，針刺預(yù)制體的主要構(gòu)成部分包括碳纖維布和網(wǎng)胎復(fù)合料，不同的鋪層結(jié)構(gòu)和鋪層方式都會(huì)對(duì)針刺預(yù)制體的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)，在針刺預(yù)制體的制備過(guò)程中，有眾多針刺工藝參數(shù)需要調(diào)整，以上因素共同決定了針刺預(yù)制體的可設(shè)計(jì)性。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提到針刺預(yù)制體的力學(xué)性能受到不同類(lèi)型的纖維復(fù)合料、刺針類(lèi)型和針刺工藝參數(shù)等因素的影響，本節(jié)通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明這些因素對(duì)針刺預(yù)制體纖維結(jié)構(gòu)和針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1）碳纖維布在針刺預(yù)制體中扮演著最重要的角色，直接影響針刺復(fù)合材料的面內(nèi)力學(xué)性能，常用的碳纖維布包括平紋布、斜紋布、緞紋布和無(wú)緯布等，不同的碳纖維布種類(lèi)的根本區(qū)別在于經(jīng)紗和緯紗的搭接頻率以及搭接位置出現(xiàn)的頻率[21]，會(huì)造成針刺預(yù)制體中纖維的偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同。同時(shí)根據(jù)針刺復(fù)合材料在實(shí)際環(huán)境中的承載需要，碳纖維布會(huì)采用不同面內(nèi)鋪放角度，如最常見(jiàn)的無(wú)緯布在預(yù)制體中的鋪放方式主要有0°/90°和0°/45°/90°兩種主要方式。

2）網(wǎng)胎復(fù)合材料在針刺預(yù)制體的成型過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，網(wǎng)胎中的短切纖維取向隨機(jī)，均勻分布，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[21]，短切纖維的長(zhǎng)度通常在40mm到80mm之間。在預(yù)制體的針刺成型過(guò)程中，網(wǎng)胎的纖維由于長(zhǎng)度較短，纖維密集程度較為松散，容易被刺針的倒鉤牽引至厚度方向，因此網(wǎng)胎是厚度方向纖維的主要來(lái)源。

3）在針刺過(guò)程中，刺針會(huì)對(duì)纖維復(fù)合料中的面內(nèi)纖維造成損傷，同時(shí)不同的刺針類(lèi)型會(huì)影響針刺預(yù)制體的纖維結(jié)構(gòu)，例如刺針的直徑、倒刺的數(shù)量和倒刺的尺寸等，這些參數(shù)在針刺預(yù)制體的成型過(guò)程中對(duì)纖維復(fù)合料的損傷程度和牽引至厚度方向的纖維數(shù)量都各不相同。劉建軍等[22]發(fā)現(xiàn)在針刺工藝參數(shù)相同的情況下，使用C222 型號(hào)刺針生產(chǎn)的針刺預(yù)制體致密化程度低，同時(shí)碳纖維的損傷程度較輕，使用C333 型號(hào)刺針時(shí)針刺預(yù)制體的密度較高，同樣碳纖維的損傷程度隨之增加。因此，選擇正確的刺針是生產(chǎn)針刺預(yù)制體的關(guān)鍵因素。

4）針刺的深度對(duì)針刺預(yù)制體中厚度方向的纖維長(zhǎng)度和纖維偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用。預(yù)制體中最大的針刺深度由刺針的工作段長(zhǎng)度決定，最小的針刺深度應(yīng)確保刺針最上方的倒刺能夠刺入到疊層結(jié)構(gòu)中，不同的針刺深度會(huì)導(dǎo)致厚度方向纖維的長(zhǎng)度和數(shù)量不同，也會(huì)導(dǎo)致面內(nèi)纖維的損傷程度不同[23]。李飛等[24]發(fā)現(xiàn)隨著針刺深度的增加，刺針可以穿透更多的碳纖維鋪層數(shù)量，造成針刺密度的增加，同時(shí)受損傷的纖維數(shù)量更多。

5）針板上刺針的布針規(guī)律是針刺預(yù)制體中針刺孔分布情況的關(guān)鍵因素。針板上刺針的布針規(guī)律多種多樣，如圖3 所示。通過(guò)調(diào)整針板上刺針之間的距離、針板的運(yùn)動(dòng)頻率以及纖維復(fù)合材料的傳送速度，可以實(shí)現(xiàn)不同針刺密度和針刺孔排布規(guī)律的針刺預(yù)制體，同時(shí)不同的針刺密度會(huì)影響針刺預(yù)制體的致密程度[25,26]和碳纖維的損傷程度[24]。此外，借助計(jì)算機(jī)程序，可以設(shè)計(jì)出不同的布針規(guī)律，來(lái)模擬針刺預(yù)制體中針刺孔的分布情況。

圖3 針板上刺針的布陣形式[12]Fig.3 Arrangement forms of needles on the needle board[12]

2 三維針刺復(fù)合材料單胞建模方法

三維針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能由材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)決定，纖維結(jié)構(gòu)具體是指纖維的幾何路徑分布。在針刺復(fù)合材料制備過(guò)程中，由于針刺工藝參數(shù)眾多，且不同復(fù)合料鋪層中纖維的排布方式不同，造成材料內(nèi)部各個(gè)區(qū)域的纖維偏轉(zhuǎn)幾何路徑各不相同，導(dǎo)致針刺復(fù)合材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。因此，針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能單胞構(gòu)建方法面臨著巨大挑戰(zhàn)，即如何準(zhǔn)確地在單胞中建立材料內(nèi)部的纖維幾何形態(tài)。

2.1 基于理想纖維結(jié)構(gòu)的幾何建模方法

由于針刺復(fù)合材料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮到計(jì)算效率的影響，許多學(xué)者為了建立材料的代表性體積單胞模型，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些合理的簡(jiǎn)化。李龍等[27]針對(duì)針刺陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)報(bào)，建立了纖維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的單胞模型，在單胞中，1）假設(shè)帶有一個(gè)針刺孔區(qū)域的材料為針刺復(fù)合材料的最小周期性單胞，如圖4 所示；2）對(duì)于0°/90°的無(wú)緯布鋪層，假設(shè)其為厚度相同的長(zhǎng)方體單層板；3）網(wǎng)胎層被認(rèn)為是各向同性材料，其彈性性能假設(shè)為無(wú)緯布鋪層中沿纖維方向彈性性能的1/10；4）針刺纖維束等效為圓柱體，忽略針刺孔附近的纖維偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并假設(shè)針刺纖維束的性能于無(wú)緯布鋪層的性能相同；5）假設(shè)無(wú)緯布鋪層、網(wǎng)胎鋪層和針刺纖維束中的纖維含量等于針刺復(fù)合材料的纖維含量。通過(guò)以上簡(jiǎn)化得到針刺復(fù)合材料的周期性單胞模型如圖4 所示。Xu 等[28]提出了一種用于預(yù)測(cè)二維針刺C/C 復(fù)合材料力學(xué)性能的分層微細(xì)觀建模方法，包含兩個(gè)連續(xù)層級(jí)：1）包括連續(xù)纖維、基體和隨機(jī)分布孔隙的無(wú)緯布層以及包括隨機(jī)分布的短切纖維、孔隙和基體的網(wǎng)胎層；2）由無(wú)緯布層、網(wǎng)胎層和包括針刺纖維束的針刺層構(gòu)成的周期性單胞模型，如圖5 所示。該作者同樣忽略了針刺孔附近的纖維偏轉(zhuǎn)形態(tài)，對(duì)材料單胞模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。Hao 等[29]針對(duì)針刺C/C 復(fù)合材料的預(yù)制體和基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化假設(shè)：1）X-Y 面內(nèi)方向的復(fù)合材料是各向同性的；2）孔隙在無(wú)緯布層和網(wǎng)胎層中均勻分布；3）無(wú)緯布層和網(wǎng)胎層中基體的材料屬性相同；4）由于針刺纖維束在針刺預(yù)制體中的含量較少而被忽略。通過(guò)考慮針刺預(yù)制體的結(jié)構(gòu)，作者提出了一種包含三個(gè)部分的針刺復(fù)合材料單胞模型以預(yù)測(cè)針刺復(fù)合材料的彈性模量，如圖6 所示，每一層的彈性性能均可以通過(guò)Chamis公式[30]進(jìn)行計(jì)算。Xu 等[31]認(rèn)為三維針刺預(yù)制體中針刺纖維的數(shù)量非常少，可以忽略不計(jì)，同時(shí)提出了改進(jìn)的層合板模型，用于描述不同紗線尺寸下兩種三維針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，如圖7 所示，其中三角形塊用于代替褶皺紗線的部分。然而，基于理想纖維結(jié)構(gòu)的幾何建模方法對(duì)針刺區(qū)域的纖維偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了過(guò)多的簡(jiǎn)化，且層與層之間針刺孔是否重疊存在多次針刺的區(qū)域也未討論，構(gòu)建的單胞模型中忽略了針刺結(jié)構(gòu)中最重要的區(qū)域，與實(shí)際材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)差距較大。

圖4 針刺陶瓷基復(fù)合材料周期性單胞[27]Fig.4 Periodic cell of needled ceramic matrix composites [27]

圖5 2D 針刺C/C 復(fù)合材料的預(yù)制體示意圖[28]Fig.5 Schematic of the preform for 2D needled C/C composites[28]

圖7 不同紗線尺寸下三維針刺復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)[31]Fig.7 Structure of 3D needled composites with different yarn sizes[31]

2.2 基于Micro-CT 掃描的幾何重構(gòu)建模方法

隨著Micro-CT 掃描技術(shù)的迭代，其在針刺復(fù)合材料內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)觀測(cè)和表征等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。許多學(xué)者利用Micro-CT 技術(shù)獲取復(fù)合材料內(nèi)部的微尺度特征，例如孔隙分布和纖維的變形等。Sharma 等[32]在復(fù)合材料的力學(xué)性能分析中考慮了從Micro-CT 中獲得的真實(shí)缺陷形態(tài)。Zhang等[33]提出了一種從Micro-CT 圖像中提取三維正交C/C 復(fù)合材料纖維束的微尺度幾何形狀的方法。Wan 等[34]應(yīng)用Micro-CT 掃描技術(shù)表征了針刺C/C-SiC 復(fù)合材料的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和損傷模式，用來(lái)計(jì)算其力學(xué)性能。也有部分學(xué)者通過(guò)結(jié)合Micro-CT 技術(shù)和體素單元網(wǎng)格劃分方法，在建立的單胞模型中呈現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)報(bào)，同時(shí)減小了計(jì)算誤差[35-40]。還有一些學(xué)者通過(guò)提出改進(jìn)的Micro-CT 圖像算法，劃分出不同鋪層中的纖維和基體，建立材料的有限元單胞模型。Yu 等[41]利用Micro-CT 技術(shù)掃描針刺C/C 材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，作者首先通過(guò)對(duì)原始圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)和去噪來(lái)提高圖像的清晰度，如圖8 所示，之后提出了一種基于離散灰度值圖像的微觀有限元模型的簡(jiǎn)化算法，提取出經(jīng)紗、緯紗和針刺纖維束的輪廓，然后生成離散的灰度圖像，重建了針刺C/C 復(fù)合材料的有限元單胞模型，如圖9所示，其中包含材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)和缺陷特征。

圖8 針刺復(fù)合材料CT 圖像處理過(guò)程[41]Fig.8 CT image processing procedure of needled composites[41]

圖9 針刺C/C 復(fù)合材料三維重構(gòu)模型[41]Fig.9 3D reconstruction model of needled C/C composites[41]

Lim 等[42]在研究針刺 C/SiC 復(fù)合材料的Micro-CT 掃描圖像時(shí)，由于纖維、基體和短切纖維網(wǎng)胎之間的灰度值對(duì)比明顯，得到了復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)，如圖10 所示，即0°無(wú)緯布層、短切纖維網(wǎng)胎層和90°無(wú)緯布層的疊加層，以及沿厚度方向的偏轉(zhuǎn)纖維和針刺纖維束。為了在有限元模型中對(duì)材料的微細(xì)觀成分進(jìn)行建模，作者提出了一系列圖像處理技術(shù)來(lái)區(qū)分三種類(lèi)型的纖維（X 方向、Y方向和Z 方向）和基體，同時(shí)為了降低計(jì)算成本，作者提出子區(qū)域算法來(lái)平均一定像素尺寸內(nèi)的灰度值，重建了三維高保真有限元單胞模型，以表征針刺C/SiC 的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。Niu 等[43]研究的針刺短切纖維增強(qiáng)酚醛氣凝膠復(fù)合材料（PAC）是太空應(yīng)用中最有前景的熱防護(hù)材料，但由于其不規(guī)則的針刺纖維分布導(dǎo)致了材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，嚴(yán)重限制了其斷裂機(jī)理的揭示。因此，作者首次采用原位X 射線Micro-CT 掃描技術(shù)，利用酚醛氣凝膠孔徑和纖維尺寸之間的數(shù)量級(jí)差異，建立了材料的三維重構(gòu)模型。為了理解PAC在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力演化規(guī)律，作者選擇模型中具有典型針刺結(jié)構(gòu)的區(qū)域來(lái)創(chuàng)建FEA 模型，可以更好反映針刺區(qū)域的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。然而，基于Micro-CT掃描的幾何重構(gòu)建模方法需要制成針刺預(yù)制體或針刺復(fù)合材料后才能進(jìn)行掃描重構(gòu)，重構(gòu)模型中纖維和基體的細(xì)節(jié)質(zhì)量受樣品尺寸的影響較大。同時(shí)，從CT 掃描到最后的模型重構(gòu)周期時(shí)間長(zhǎng)，重構(gòu)的模型中單元數(shù)量眾多，計(jì)算效率低。

圖10 針刺Cf/SiCm 疊層復(fù)合材料的微CT 圖像[42]Fig.10 μ-CT image of needled Cf/SiCmlaminate composites[42]

圖11 針刺Cf/SiCm 復(fù)合材料高保真有限元模型[42]Fig.11 High fidelity FE model of needled Cf/SiCmcomposites[42]

2.3 基于預(yù)制體工藝成型過(guò)程的幾何重構(gòu)建模

考慮到針刺孔的排布在材料中具有一定的規(guī)律性和周期性，學(xué)者們一般通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，通過(guò)對(duì)材料內(nèi)部的區(qū)域類(lèi)型進(jìn)行劃分和總結(jié)，建立針刺復(fù)合材料的周期性單胞模型。Xie 等[44]通過(guò)對(duì)針刺C/C-SiC 復(fù)合材料進(jìn)行微細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部部分區(qū)域沒(méi)有被針刺，部分區(qū)域僅被針刺過(guò)一次，而有的區(qū)域被重復(fù)針刺過(guò)多次，同時(shí)作者將針刺復(fù)合材料劃分為四種代表性區(qū)域，包含了材料內(nèi)部所有可能出現(xiàn)的纖維結(jié)構(gòu)，根據(jù)這四種典型區(qū)域分別建立了對(duì)應(yīng)的代表性體積單胞，如圖12 所示。其中，RVEA 代表非針刺區(qū)域，包含0°/90°無(wú)緯布層和網(wǎng)胎層；RVEB 代表單獨(dú)針刺區(qū)域，針刺孔附近的纖維發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)纖維的路徑用公式(1)描述，同時(shí)針刺孔中存在針刺纖維束；RVEC 代表表面針刺區(qū)域，該區(qū)域存在于材料表面，針刺孔附近的纖維由于受到很小的約束力并沒(méi)有發(fā)生折斷，而是被刺針擠開(kāi)，由此發(fā)生變形的纖維可以用公式(2)描述；RVED 代表重復(fù)針刺區(qū)域，該區(qū)域被多次針刺，可以假設(shè)該區(qū)域中的纖維全部轉(zhuǎn)移到厚度方向，把RVED 認(rèn)為是一種單向增強(qiáng)復(fù)合材料。作者根據(jù)針刺預(yù)制體成型工藝過(guò)程，基于Python腳本，在Abaqus 中建立了包含上述四種代表性區(qū)域的周期性單胞模型，如圖13 所示。通過(guò)調(diào)整針刺工藝參數(shù)，如纖維復(fù)合料的步進(jìn)量、針板上刺針的排布規(guī)律、針刺密度和針刺深度等，可以預(yù)報(bào)不同工藝參數(shù)下針刺區(qū)域的分布位置，構(gòu)建不同工藝參數(shù)下針刺復(fù)合材料的周期性單胞模型。

圖12 針刺復(fù)合材料的四種代表性區(qū)域及對(duì)應(yīng)的單胞示意圖[12]Fig.12 Four representative regions and corresponding cell diagrams of needled composites[12]

圖13 包含四種代表性區(qū)域的針刺復(fù)合材料周期性單胞模型[12]Fig.13 Periodic cell model of needled composites including four representative regions[12]

Zhang 等[45]研究的針刺C/C 復(fù)合材料的預(yù)制體由0°/90°的無(wú)緯布層和網(wǎng)胎層交替堆疊而成，針板上刺針的周期性尺寸為刺針之間長(zhǎng)度和寬度的最小公倍數(shù)，即24mm×24mm，如圖14 所示。通過(guò)使用光學(xué)顯微鏡獲取針刺C/C 復(fù)合材料的幾何特征，根據(jù)碳纖維層的損傷程度和纖維排布方式將材料分類(lèi)為五種中尺度區(qū)域，即非針刺區(qū)域、完全穿透基體區(qū)域、部分穿透平面紗線區(qū)域、完全穿透平面紗線且纖維未發(fā)生損傷區(qū)域（將紗線擠開(kāi)）和完全穿透平面紗線并造成纖維損傷區(qū)域，并建立了對(duì)應(yīng)的中尺度單胞模型，如圖15 所示，這些單胞可以反映平面纖維和針刺纖維束之間的排列關(guān)系。根據(jù)針刺預(yù)制體工藝成型特點(diǎn)，結(jié)合針板上刺針的周期性排布規(guī)律，作者建立了針刺C/C 復(fù)合材料的周期性單胞模型，如圖16 所示，理想情況下該模型包括針刺預(yù)制體的所有針刺特征。在針刺過(guò)程的模擬中，圖16 顯示了0°/90°無(wú)緯布鋪層的典型針刺布局，同時(shí)0°/90°無(wú)緯布鋪層可以視為圖16中五個(gè)單元格的組合，不同鋪層中這五個(gè)單元格的比例會(huì)有所變化，圖16 中帶一個(gè)撇號(hào)的單元格表示原始單元格旋轉(zhuǎn)了90°。

圖14 針刺過(guò)程及針刺密度[45]Fig.14 Needling process and needling density[45]

圖15 針刺C/C 復(fù)合材料五種典型區(qū)域及對(duì)應(yīng)的單胞示意圖[45]Fig.15 Five typical regions and corresponding cell diagrams of needled C/C composites[45]

圖16 代表性針刺孔分布及0°/90°鋪層中五種單胞分布[45]Fig.16 Representative distribution of needle holes and five cells distributions in 0 °/90 ° layers[45]

由于針刺區(qū)域的纖維結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，上述建立的單胞模型中都對(duì)纖維的幾何形態(tài)做了一些簡(jiǎn)化，同時(shí)僅通過(guò)細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)無(wú)法定量分析不同鋪層在針刺后的纖維損傷。因此，需要通過(guò)微觀尺度建模方法來(lái)模擬預(yù)制體的針刺過(guò)程，分析針刺預(yù)制體的纖維結(jié)構(gòu)。Wang 等[46-48]提出了數(shù)字單元模型，用于模擬紡織工藝并生成紡織織物的微細(xì)觀幾何模型。在這種方法中，紗線被數(shù)字化為虛擬纖維的組合，虛擬纖維通過(guò)棒單元鏈建模，建立的數(shù)字單元模型可用于紗線尺度下織物變形、強(qiáng)度和失效分析[49-52]。Song 等[53]基于纖維長(zhǎng)度和曲率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在纖維尺度上建立了短切纖維織物的數(shù)字單元模型，模擬了針刺過(guò)程，如圖17 所示。然而，Song將纖維的變形行為假定為線彈性，沒(méi)有考慮纖維的損傷和斷裂。Xie 等[54]基于虛擬纖維，使用Truss單元建立了斜紋布和短切纖維織物的數(shù)字單元模型，通過(guò)Abaqus 中的顯示動(dòng)力學(xué)算法，模擬了兩種織物的針刺過(guò)程，如圖18 所示。

圖17 針刺過(guò)程模擬及網(wǎng)胎層形態(tài)[53]Fig.17 The simulation of needling process and Morphology of net fetal layer [53]

圖18 兩種纖維復(fù)合料的數(shù)字單元模型及針刺過(guò)程模擬[54]Fig.18 Digital element models and simulation of needling process for two fiber composites[54]

分析了纖維在針刺過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)、拉伸和斷裂，同時(shí)進(jìn)一步研究了針刺位置和織物厚度對(duì)刺針阻力的影響規(guī)律。上述學(xué)者均基于虛擬纖維構(gòu)建了預(yù)制體的數(shù)字單元模型，模擬了針刺過(guò)程，獲取了纖維的幾何形態(tài)，但都沒(méi)有對(duì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)，將其用于針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能分析中。Qiao 等[55]基于虛擬纖維構(gòu)建了斜紋布和短切纖維鋪層的疊層結(jié)構(gòu)，如圖19 所示，通過(guò)模擬不同針刺角度和針刺落點(diǎn)下預(yù)制體的針刺過(guò)程，得到了不同鋪層的纖維結(jié)構(gòu)，并用公式對(duì)其進(jìn)行了描述。同時(shí)，該作者針對(duì)不同針刺工藝參數(shù)，基于Python 腳本在Abaqus 中創(chuàng)建了包含不同針刺落點(diǎn)的針刺斜紋布復(fù)合材料有限元單胞模型，如圖20 所示，結(jié)合UAMT 子程序，對(duì)不同針刺角度下復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。采用這種幾何重構(gòu)建模方法可以對(duì)針刺區(qū)域的纖維結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行精確描述，但需要對(duì)針刺復(fù)合材料不同區(qū)域的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并且當(dāng)鋪層結(jié)構(gòu)的類(lèi)型發(fā)生改變，基于虛擬纖維的數(shù)字單元模型需要重新建立來(lái)模擬針刺過(guò)程。

圖19 纖維復(fù)合料的數(shù)字單元模型[55]Fig.19 Digital element model of fiber composites[55]

圖20 三維針刺斜紋布復(fù)合材料有限元單胞模型[55]Fig.20 Finite element cell models of 3D needled twill composites[55]

3 三維針刺復(fù)合材料損傷分析及力學(xué)性能預(yù)示

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能和損傷演化規(guī)律開(kāi)展了大量的工作。相比于材料力學(xué)性能的數(shù)值分析研究，材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究較為成熟，但由于針刺工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍大，造成材料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，材料的力學(xué)性能與細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間存在緊密聯(lián)系，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試無(wú)法得到材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律，需要從材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)建立材料的數(shù)值分析模型對(duì)其力學(xué)性能展開(kāi)研究[56]。同時(shí)針刺C/C 復(fù)合材料和針刺C/C-SiC 復(fù)合材料因其準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度高和抗燒蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管擴(kuò)張段部位，由于擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)是異形錐殼體結(jié)構(gòu)，針刺復(fù)合材料的性能無(wú)法準(zhǔn)確等效為擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)的性能[57]，需要單獨(dú)對(duì)針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)件的性能進(jìn)行分析研究。因此，本節(jié)將分別對(duì)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值分析和針刺復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析進(jìn)行總結(jié)和論述。

3.1 針刺復(fù)合材料破壞機(jī)理及影響因素分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試一直是研究針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的重要方法，已有眾多學(xué)者對(duì)針刺預(yù)制體和針刺復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛的研究，這些研究包括了各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如拉伸、壓縮、彎曲和剪切等。劉等[58]研究了平紋布和網(wǎng)胎鋪層下針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能隨針刺深度和針刺密度的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著針刺深度和針刺密度的增加，材料面內(nèi)和面外的拉伸強(qiáng)度先上升后下降，如圖21 所示。

圖21 針刺復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與針刺工藝參數(shù)的關(guān)系曲線[58]Fig.21 The relationship curve between tensile strength of needled composites and needling process parameters [58]

聶等[59]對(duì)針刺C/SiC 復(fù)合材料在單調(diào)和加卸載拉伸載荷作用下的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，材料在拉伸過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的非線性行為，裂紋主要從針刺孔附近產(chǎn)生，隨著載荷的增大，材料的界面出現(xiàn)脫粘和滑移，最后纖維發(fā)生斷裂和部分拔出，針刺過(guò)程造成材料的面內(nèi)拉伸強(qiáng)度相比于二維C/SiC 復(fù)合材料有所降低，但斷裂應(yīng)變基本相同。孫等[60]針對(duì)三維針刺C/C 復(fù)合材料在三個(gè)主方向的壓縮性能和破壞機(jī)理展開(kāi)研究，載荷方向和材料在對(duì)應(yīng)方向下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖22 所示，研究結(jié)果顯示，材料在徑向壓縮載荷下的破壞模式為剪切破壞以及基體的壓潰破壞；材料在軸向壓縮和環(huán)向壓縮下的力學(xué)行為相似，均為脆性斷裂，破壞模式以層間劈裂破壞為主，伴隨有剪切破壞。嵇等[61]探討了針刺碳纖維預(yù)制體的力學(xué)性能隨針刺密度和碳纖維規(guī)格的變化規(guī)律，研究結(jié)構(gòu)顯示隨著針刺密度的提高，預(yù)制體平面內(nèi)的纖維損傷程度加重，面內(nèi)拉伸強(qiáng)度隨之降低；碳纖維圓環(huán)的整體拉伸破壞模式包含完全斷裂、不完全斷裂和層間剝離這幾種，如圖23 所示。鄭等[62]在斜紋布/網(wǎng)胎鋪層的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加不同方向的纖維纏繞結(jié)構(gòu)，來(lái)研究包括0°/90°無(wú)緯布/網(wǎng)胎鋪層等不同針刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C 復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，研究結(jié)構(gòu)顯示：針刺0°/90°無(wú)緯布/網(wǎng)胎鋪層復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度高于針刺斜紋布/網(wǎng)胎鋪層復(fù)合材料，在不同方向增加纖維纏繞的針刺復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度均高于這兩種材料，同時(shí)其拉伸強(qiáng)度也高于這兩種材料；不同的鋪層結(jié)構(gòu)并沒(méi)有影響材料的脆性斷裂模式，但在無(wú)緯布鋪層下材料的斷裂韌性與斜紋布鋪層下的相比有所提高。由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫環(huán)境下服役，同時(shí)針刺復(fù)合材料常用于其擴(kuò)張段中，因此還有一些關(guān)于針刺復(fù)合材料高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試的研究。白等[63]通過(guò)對(duì)針刺C/C復(fù)合材料進(jìn)行高溫處理，研究了不同高溫條件對(duì)針刺復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果顯示：高溫處理后，材料的層間剪切強(qiáng)度和面內(nèi)拉伸強(qiáng)度相比常溫下的都會(huì)降低，但其斷裂伸長(zhǎng)率明顯升高。Li 等[64]研究了針刺C/C 復(fù)合材料在高溫下的壓縮性能和破壞機(jī)制，結(jié)果顯示材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在600℃后呈現(xiàn)非線性破壞和塑性破壞的特征，隨著溫度的升高，由于材料發(fā)生氧化，壓縮性能顯著下降，材料在45°上呈現(xiàn)出剪切斷裂，主要的損傷模式是剪切表面上90°方向纖維的撕裂和0°方向纖維的剪切破壞。當(dāng)溫度上升到600℃后，材料局部和塑性破壞特征變得更加明顯，材料明顯發(fā)生氧化，纖維基體在界面處粘接性能明顯減弱。Chen等[65]為了研究針刺C/C-SiC 復(fù)合材料在高溫下的面內(nèi)拉伸行為和微觀破壞機(jī)制，對(duì)其進(jìn)行了從室溫至2000℃的面內(nèi)拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：隨著溫度的升高，材料在平面方向的彈性模量降低，拉伸強(qiáng)度、韌性和破壞應(yīng)變?cè)黾樱鞆?qiáng)度在1800℃時(shí)達(dá)到頂峰，如圖24 所示。在高溫下材料的斷面呈鋸齒狀，通過(guò)對(duì)斷面進(jìn)行SEM 掃描，可以看到有大量纖維被拉出，如圖25 所示，這表明隨著溫度的升高，材料的界面強(qiáng)度降低。這些研究詳細(xì)描述了材料內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)，明確了其基本性能參數(shù)和不同加載條件下材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、損傷演化規(guī)律等，為建立材料在微細(xì)觀尺度下的有限元模型提供了基礎(chǔ)。

圖22 不同壓縮載荷方向下針刺復(fù)合材料載荷-位移曲線[60]Fig.22 Load-displacement curves of needled composites under different compression load directions[60]

圖23 碳纖維圓環(huán)拉伸破壞模式[61]Fig.23 Tensile failure mode of carbon fiber ring[61]

圖24 針刺C/C-SiC 復(fù)合材料力學(xué)性能與溫度關(guān)系曲線[65]Fig.24 Relationship curve between mechanical properties of needled C/C-SiC composites and temperature[65]

圖25 不同溫度處理后失效纖維的SEM 顯微照片[65]Fig.25 The SEM micrographs of failed fibers after tensile test at different temperatures[65]

3.2 針刺復(fù)合材料漸進(jìn)損傷分析及強(qiáng)度預(yù)示

通過(guò)對(duì)針刺復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得到材料的力學(xué)性能隨針刺工藝參數(shù)、刺針型號(hào)和基體固化方式等因素的影響規(guī)律，但是材料的力學(xué)性能主要取決于組分材料的性質(zhì)和材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)?；诩?xì)觀力學(xué)模型的數(shù)值分析方法對(duì)于預(yù)報(bào)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能以及揭示損傷破壞本質(zhì)有著非常重要的作用，僅靠細(xì)觀觀測(cè)很難得到材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本高，效率低，因此還需要通過(guò)數(shù)值分析方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究。Piat 等[66]將針刺復(fù)合材料看成層合板結(jié)構(gòu)，采用均勻化方法對(duì)碳纖維層和網(wǎng)胎層的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，在模型中未引入針刺纖維束使得數(shù)值分析結(jié)果與材料實(shí)際力學(xué)性能之間的誤差較大。

Xu 等[28]通過(guò)建立包含碳纖維層、網(wǎng)胎層和針刺纖維束三個(gè)子區(qū)域的有限元單胞模型，對(duì)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，但模型中未考慮針刺區(qū)域中纖維的偏轉(zhuǎn)情況，使得建立的模型與材料實(shí)際的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有較大差距。錢(qián)等[67]采用原位拉伸X 射線Micro-CT 技術(shù)，對(duì)針刺無(wú)緯布/網(wǎng)胎復(fù)合材料進(jìn)行三維模型重構(gòu)，揭示了材料在拉伸載荷作用下的損傷演化模式，如圖26 所示，并基于三維圖形數(shù)據(jù)處理方法對(duì)材料在拉伸過(guò)程中的纖維角度偏移進(jìn)行了量化。Xie 等[44]基于Abaqus 二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)Python 程序創(chuàng)建了包含不同代表性針刺區(qū)域的有限元單胞模型，通過(guò)計(jì)算各個(gè)區(qū)域的力學(xué)性能，代入到單胞中對(duì)針刺C/C-SiC 復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，如圖27 所示。同時(shí)進(jìn)一步對(duì)不同針刺密度、針刺深度和布陣形式下的材料單胞模型進(jìn)行力學(xué)性能分析對(duì)比，結(jié)果表明增加針刺密度、針刺深度會(huì)降低材料的面內(nèi)性能，增強(qiáng)面外性能，因此應(yīng)選擇合理范圍內(nèi)的針刺密度和針刺深度，以及分布均勻的刺針排布形式，以避免針刺孔重疊數(shù)量過(guò)多，造成面內(nèi)纖維損傷過(guò)高，以至于嚴(yán)重影響材料的面內(nèi)力學(xué)性能。Yu 等[41]基于Micro-CT 圖像掃描技術(shù)對(duì)針刺C/C 復(fù)合材料進(jìn)行了三維模型重構(gòu)，通過(guò)有限元模型在單軸拉伸載荷作用下的損傷模擬演變中發(fā)現(xiàn)，基體損傷先出現(xiàn)并迅速擴(kuò)展，如圖28 所示?？v向拉伸剪切破壞和縱向壓縮破壞是主要的破壞模式，分別導(dǎo)致材料在拉伸和壓縮載荷作用下的最終破壞，同時(shí)在兩種載荷作用下，纖維束的損傷起始位置總是位于針刺孔處，然后沿垂直于載荷方向的路徑傳播至平面纖維處。

圖28 針刺C/C 復(fù)合材料中基體失效單元隨拉伸載荷的變化規(guī)律[41]Fig.28 The variation of matrix failure units in needled C/C composites with tensile load[41]

Han 等[68]提出了針刺C/C 復(fù)合材料的中尺度力學(xué)有限元模型，在模型中，構(gòu)建了一個(gè)圓弧梁?jiǎn)卧–ABE）來(lái)模擬針刺區(qū)域的纖維偏轉(zhuǎn)，基體和網(wǎng)胎層用層內(nèi)和層間的延長(zhǎng)彈簧單元（ESE）表示。使用這兩種單元構(gòu)建一個(gè)RVE 有限元模型，通過(guò)對(duì)模型施加拉伸載荷，模擬材料的漸進(jìn)損傷行為，如圖29 所示。損傷首先從層內(nèi)的ESE 中開(kāi)始，隨著載荷的增加，失效的層內(nèi)ESE 逐漸集中在垂直加載方向的帶狀區(qū)域，同時(shí)，CABE 的失效出現(xiàn)在針刺孔重疊或相近的區(qū)域，之后越來(lái)越多的層內(nèi)和層間ESE 以及CABE 發(fā)生失效。當(dāng)沿加載方向的大量層內(nèi)ESE 失效時(shí)，材料的基體相可以被認(rèn)為失去了承載能力，此時(shí)，沿加載方向的CABE 開(kāi)始加速失效，最后隨著大量的CABE 失效，針刺C/C 復(fù)合材料達(dá)到了極限強(qiáng)度。Qiao 等[55]針對(duì)針刺斜紋布復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)報(bào)分析，基于虛擬纖維構(gòu)建了斜紋布和網(wǎng)胎疊層的數(shù)字單元模型，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行針刺過(guò)程模擬，得到了不同針刺落點(diǎn)和針刺角度下針刺預(yù)制體中的纖維偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖30 所示，建立了公式進(jìn)行總結(jié)和描述并進(jìn)行了性能計(jì)算，之后將其帶入到材料單胞模型中對(duì)針刺斜紋布復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比誤差在允許范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果如圖31和表1所示。在研究過(guò)程中，作者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值具有較大的離散性，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵嚇蛹挠行y(cè)量尺寸范圍內(nèi)無(wú)法包含材料單胞中所有的針刺區(qū)域，但可以反映材料的局部力學(xué)性能，一些實(shí)驗(yàn)值比較接近代表性區(qū)域的性能，這反映了建立代表性區(qū)域的必要性以及代表性區(qū)域力學(xué)性能的計(jì)算精度。此外，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)針刺后的纖維偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分析可以得出以下結(jié)論：當(dāng)針刺落點(diǎn)位于斜紋布的非搭接區(qū)域時(shí)，纖維幾乎被刺針擠開(kāi)，幾乎不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)針刺落點(diǎn)位于搭接區(qū)域時(shí)，落點(diǎn)位置的表層纖維被刺針擠開(kāi)，下方的纖維由于網(wǎng)胎層的松散性被刺針帶入到面外方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；不同的針刺角度和針刺落點(diǎn)會(huì)造成斜紋布中纖維的偏轉(zhuǎn)深度不同，因此會(huì)導(dǎo)致相鄰網(wǎng)胎層的體積和纖維體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，從而影響網(wǎng)胎層以及局部區(qū)域的力學(xué)性能。以上學(xué)者的研究通過(guò)建立針刺復(fù)合材料的高保真模型，分析了材料在不同加載方式下的損傷演化規(guī)律，對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)示，同時(shí)分析和總結(jié)了針刺區(qū)域中纖維的幾何偏轉(zhuǎn)形態(tài)，這些結(jié)論為針刺復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和研究提供了一些指導(dǎo)。

表1 針刺斜紋布復(fù)合材料力學(xué)性能[55]Table 1 Mechanical properties of needled twill composites[55]

圖30 不同針刺角度和針刺落點(diǎn)下的纖維結(jié)構(gòu)[55]Fig.30 Fiber structure under different needling angles and needling points[55]

圖31 針刺斜紋布復(fù)合材料有限元模型計(jì)算結(jié)果[55]Fig.31 Calculation results of finite element models for needled twill composites[55]

3.3 擴(kuò)張段針刺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效分析

噴管擴(kuò)張段是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的主要部件[69]，相比于傳統(tǒng)的二維噴管熱防護(hù)材料，針刺復(fù)合材料由于其獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、更好的穩(wěn)定性和更輕的重量[70]被廣泛應(yīng)用在噴管擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)中，但由于擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)為異形錐殼體結(jié)構(gòu)，同時(shí)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能無(wú)法等效為擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)的性能，因此研究其結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能存在一定的困難。鄭等[71]設(shè)計(jì)了針刺C/C 圓筒型實(shí)驗(yàn)件，對(duì)其進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并建立了圓筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，將模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果顯示：圓筒實(shí)驗(yàn)件在軸向的拉伸和壓縮模量基本相同，兩種加載方式下的破壞模式均為脆性斷裂，但其在壓縮載荷下的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變遠(yuǎn)大于其在拉伸載荷下的強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變；有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)，對(duì)針刺C/C 圓筒件的設(shè)計(jì)有著重要參考意義。韓等[72]同樣設(shè)計(jì)了針刺C/C 圓筒型實(shí)驗(yàn)件，對(duì)其進(jìn)行了內(nèi)/外壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并根據(jù)試驗(yàn)件尺寸和實(shí)際服役環(huán)境建立了圓筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：當(dāng)圓筒試驗(yàn)件承受外壓作用時(shí)，破壞模式為崩潰式破壞，當(dāng)圓筒試驗(yàn)件承受內(nèi)壓作用時(shí)，裂紋從圓筒件中間產(chǎn)生，進(jìn)而沿軸向擴(kuò)展，并伴隨局部區(qū)域的環(huán)向裂紋，兩種作用下試驗(yàn)件的破壞形貌如圖32 所示；圓筒構(gòu)建的有限元模擬結(jié)果如圖33 所示，與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，誤差在合理范圍內(nèi)。

圖32 C/C 圓筒構(gòu)件試驗(yàn)后殘骸[72]Fig.32 Remains of C/C cylindrical components after testing[72]

圖33 構(gòu)件應(yīng)力分布云圖[72]Fig.33 Cloud diagram of component stress distribution[72]

由于噴管擴(kuò)張段在不同位置處的纖維鋪層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，其結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能難以分析，因此以上學(xué)者所建立的針刺圓筒型試樣件沒(méi)有考慮其在實(shí)際中的結(jié)構(gòu)變化。程等[73]考慮了擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)中不同部位處纖維鋪層方向和致密化程度的不同，首先對(duì)錐形件有限元模型進(jìn)行離散，獲取不同離散區(qū)域中纖維的鋪層方向，并利用纖維密度計(jì)算離散區(qū)域的性能參數(shù)。之后基于Python 程序?qū)δＰ偷母鱾€(gè)離散區(qū)域賦予材料參數(shù)，同時(shí)沿母線方向給模型賦予材料方向，如圖34 所示，另外基于Qt 跨平臺(tái)編程軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁錐形件的參數(shù)化建模。最后通過(guò)調(diào)節(jié)纖維鋪層方向的角度，分別在垂直于內(nèi)壁的方向施加均布載荷和在錐形件大端區(qū)域施加沿母線方向的拉伸載荷，分析模型的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明：在兩種載荷作用下，錐形件表面的應(yīng)力沿母線方向梯度分布，如圖35 所示。

圖34 錐形件各個(gè)區(qū)域的材料屬性和方向分布[73]Fig.34 Material properties and directional distribution in various regions of conical parts[73]

圖35 錐形件在內(nèi)壓和拉伸載荷作用下的應(yīng)力分布[73]Fig.35 Stress distribution of conical components under internal pressure and tensile load[73]

當(dāng)模型受到垂直于內(nèi)壁方向的均布載荷時(shí)，模型在大端區(qū)域的環(huán)向方向會(huì)受到較大的拉應(yīng)力，當(dāng)模型受到沿母線方向的拉伸載荷時(shí)，模型沿軸線方向的應(yīng)力較大，兩者隨纖維鋪層角度的變化趨勢(shì)如圖36 所示。由于針刺陶瓷基復(fù)合材料的耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域[74,75]，同時(shí)在復(fù)合材料熱結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估測(cè)試中，陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)示一直是難點(diǎn)[76,77]。王等[78]針對(duì)針刺C/C-ZrC-SiC 復(fù)合材料厚壁圓筒試驗(yàn)件，開(kāi)展了其在軸向和內(nèi)壓雙重載荷下的強(qiáng)度性能實(shí)驗(yàn)，獲取了厚壁圓筒件的破壞強(qiáng)度和失效應(yīng)變，同時(shí)采用多尺度建模方法建立圓筒的有限元模型，并對(duì)其在雙向載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明圓筒失效的主要因素時(shí)環(huán)向拉伸損傷和軸向損傷的耦合作用。以上研究針對(duì)擴(kuò)張段針刺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及失效過(guò)程進(jìn)行了研究分析，雖然在結(jié)構(gòu)件和模型中對(duì)擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，但研究結(jié)果對(duì)擴(kuò)張段針刺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)估有重要參考意義。

圖36 S22 和S33 拉應(yīng)力隨纖維鋪設(shè)角度的變化趨勢(shì)[73]Fig.36 The variation trend of tensile stress in S22 and S33 with fiber laying angle[73]

4 總結(jié)與展望

本文通過(guò)總結(jié)和評(píng)述三維針刺復(fù)合材料參數(shù)化建模及力學(xué)性能分析研究進(jìn)展，對(duì)針刺復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)總結(jié)如下

1）三維針刺復(fù)合材料在成型工藝過(guò)程中，由于針刺工藝參數(shù)眾多，不同鋪層類(lèi)型和刺針型號(hào)均會(huì)影響纖維的走向和分布，導(dǎo)致針刺預(yù)制體中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，難以觀測(cè)。同時(shí)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能由材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定，基于理想纖維結(jié)構(gòu)的幾何建模方法可以通過(guò)對(duì)針刺區(qū)域的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化來(lái)預(yù)報(bào)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能，計(jì)算效率高，但無(wú)法準(zhǔn)確描述針刺區(qū)域的具體纖維走向。基于Micro-CT 掃描的幾何重構(gòu)建模方法可以結(jié)合體素網(wǎng)格劃分方法，通過(guò)構(gòu)建材料的有限元單胞模型對(duì)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)表征，但基于此方法創(chuàng)建的模型單元數(shù)量眾多，計(jì)算效率低，且無(wú)法對(duì)針刺預(yù)制體的成型過(guò)程進(jìn)行表征?；谔摂M纖維的預(yù)制體模型構(gòu)建，通過(guò)模擬針刺過(guò)程可以表征針刺預(yù)制體的纖維結(jié)構(gòu)變形過(guò)程，獲取不同鋪層類(lèi)型下的針刺細(xì)觀結(jié)構(gòu)，得到細(xì)觀纖維在針刺過(guò)程中的變形及損傷過(guò)程，但當(dāng)材料中的鋪層類(lèi)型、刺針型號(hào)或針刺角度等參數(shù)變化時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行重新構(gòu)建，無(wú)法快速對(duì)不同工藝參數(shù)下針刺預(yù)制體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了在針刺復(fù)合材料性能的計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間取得平衡，可以將細(xì)觀尺度下基于針刺工藝參數(shù)的理想單胞模型與微觀尺度下基于虛擬纖維的數(shù)字單元模型結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)疊層纖維復(fù)合料進(jìn)行針刺過(guò)程模擬，得到針刺預(yù)制體的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)并用公式進(jìn)行總結(jié)描述，之后基于纖維偏轉(zhuǎn)公式對(duì)不同針刺區(qū)域的單胞模型進(jìn)行重構(gòu)并計(jì)算其力學(xué)性能，最后結(jié)合基于針刺工藝參數(shù)構(gòu)建的針刺復(fù)合材料周期性單胞模型對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)示；還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)訓(xùn)練模型從針刺工藝參數(shù)到材料力學(xué)性能之間的映射關(guān)系，可以在一定程度上在計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性和計(jì)算效率之間找到平衡，同時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)對(duì)所需針刺復(fù)合材料力學(xué)性能下的針刺工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為針刺復(fù)合材料的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）目前基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的針刺復(fù)合材料力學(xué)性能分析方法較為成熟，可以通過(guò)不同的針刺工藝參數(shù)等因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響規(guī)律。僅依靠細(xì)觀觀測(cè)很難得到材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本高，效率低，因此還需要通過(guò)數(shù)值分析方法對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究?；跀?shù)值單胞模型的針刺復(fù)合材料力學(xué)性能分析方法在近幾年發(fā)展迅速，許多學(xué)者提出了基于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的單胞模型構(gòu)建方法，在纖維束尺寸下構(gòu)建的單胞模型中，計(jì)算效率高，但其對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，無(wú)法準(zhǔn)確獲取材料在材料加載過(guò)程中的損傷演化規(guī)律，在微觀尺度下構(gòu)建的單胞模型中，相比前者呈現(xiàn)了許多微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，可以準(zhǔn)確獲取不同載荷工況下材料的損傷演化規(guī)律和破壞模式，但其模型的單元數(shù)量眾多，計(jì)算效率低。因此，亟須將不同的材料單胞模型構(gòu)建方法結(jié)合起來(lái)，高效準(zhǔn)確地對(duì)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析研究。

3）針刺復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)中各處材料屬性不均勻，形狀不規(guī)則，針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能無(wú)法等效為結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，因此關(guān)于針刺結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究較少，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析方法大多根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)建立圓筒理想試驗(yàn)件及其有限元模型進(jìn)行分析，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，與實(shí)際服役情況的結(jié)構(gòu)差別較大。針刺復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)各處的針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，目前針對(duì)針刺復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的研究仍面臨一些困難和挑戰(zhàn)，如何更精準(zhǔn)地獲取和處理材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)，建立材料有限元模型，在考慮計(jì)算效率的情況下對(duì)針刺復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行更精準(zhǔn)的預(yù)示，以及建立針刺復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究方法仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。因此，亟須建立針刺工藝參數(shù)與針刺復(fù)合材料力學(xué)性能之間的映射關(guān)系，構(gòu)建材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)到針刺復(fù)合材料宏觀結(jié)構(gòu)的多尺度模型及分析方法，為針刺復(fù)合材料以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。