三维编织结构对低速冲击性能的影响

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1、http://www.paper.edu.cn三维编织结构对低速冲击性能的影响杨灵敏，焦亚男，高华斌，王国军天津工业大学纺织工程系，天津（300160）E-mail：dandan211@126.com摘要：针对三维编织复合材料在制造、使用和维护过程中受到外来物体的低速冲击而造成结构的损伤和承载能力下降的问题，本文使用InstronDynatup9200冲击试验机对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维四向、三维五向和三维六向编织结构复合材料试样的抗冲击性能进行了研究，建立了编织结构和冲击性能之间的联系。试验结果表明：不同编织结构的冲击响应不同。与四向和五向编织结构材料相比，三维六向编织结构

2、复合材料发生主要损伤时所需的冲击载荷和冲击能量较大，主要损伤持续时间最短，吸收的能量最少。关键词：复合材料；三维编织；低速冲击性能；编织结构中图分类号：TB3321．引言三维编织复合材料是一种新型网状结构复合材料,它不但克服了传统层板复合材料开裂敏感、损伤扩展快、厚度方向强度低、抗冲击损伤性能差的缺点,而且拥有良好的可设计性、整体成型性及净截面制造等优点。因此,在结构材料领域中受到极大关注。三维编织复合材料在制造、使用和维护过程中受到外来物体的低速冲击时，易形成不可见的内部损伤，导致强度显著下降，承载能力降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在威胁，[1-3]给实际应用带来安全隐患。因

3、此研究三维编织复合材料的抗冲击性能具有十分重要的实际意义。目前，关于三维编织复合材料的冲击性能评定以及损伤、破坏分析的研究报道还很少。[4]在弹道冲击方面，Jenq等根据玻纤/环氧四步法三维编织复合材料的准静态侵彻载荷-位移[5-6]曲线，分析了不同侵彻位移及复合材料不同区域的破坏模式。顾伯洪、徐静怡分析了四步法三维编织复合材料的弹道冲击破坏模式，用有限元计算其抗侵彻性能，并证明用纤维倾斜模型这种准细观结构层次分析计算三维编织复合材料弹道贯穿性能的有效性。对于低速冲[7][8]击，Majidi等研究了三维编织复合材料的冲击行为，M.A.Portanova研究了三维编织复合材料的抗冲

4、击疲劳特性及冲击后的压缩容限。但目前对编织结构与冲击性能的关系方面的研究还很少，有待进一步研究和探索。本文使用落重冲击试验装置，对高强玻璃纤维增强环氧树脂基三维四向、三维五向和三维六向编织结构复合材料试件进行了低速低能量的冲击实验研究，并建立了编织结构和冲击性能之间的联系。为深入研究并完善材料性能、优化材料结构、设计较高损伤容限的编织复合材料提供实验依据和理论基础。2．试验3试验所用编织材料为高强玻璃纤维，纤维密度为2.54g/cm。采用阵列四步法编织工艺#进行编织，固化成型使用TDE-86环氧树脂，并采用RTM（ResinTransferMolding）即树脂传递模成型工艺。试验

5、设备为Instron公司生产的Dynatup9200system落重冲击试验机，落锤质量取10.8704kg，初始冲击速度设为2.00m/s。本试验在天津工业大学复合材料研究所完成。试验材料的工艺参数见表1。-1-http://www.paper.edu.cn表1三维编织试片的工艺参数Tab.1Technologicparametersof3-Dbraidedsamples外形尺寸（mm）编织角纤维体积含量编号编织结构长×宽×厚（°）（%）S1三维四向90×90×4.323.6860.30S2三维四向90×90×4.423.7160.76S3三维四向90×90×4.223.9462

6、.70W1三维五向90×90×3.830.9544.72W2三维五向90×90×3.730.6944.23W3三维五向90×90×3.830.8144.60L1三维六向90×90×4.126.5943.62L2三维六向90×90×4.026.6244.23L3三维六向90×90×4.026.7045.203．试验结果与分析3.1冲击损伤表观特征及分析冲击后的试样均未发生穿透破坏，不同编织结构试样的冲击损伤表观如图1所示。S1试样（三维四向）的冲击损伤外形类似枣核，损伤由冲击点向横向和纵向扩展，且沿成型方向的延伸较长，在主损伤区的周围可以看到一些类似水晕状的细小裂纹。W1试样（三维五

7、向）的冲击损伤外形呈“蝶形”状，冲击点周围小范围内的损伤相对比较集中，周围裂纹呈水波状向外扩散，波及范围较大，裂纹沿编织轴向扩展明显。L1试样（三维六向）的可见损伤区域的尺寸横向与轴向相近，与S1和W1试样相比，该试样的可见损伤区域比较集中，损伤面积较小，周围存在细小裂纹且范围较大。(a)S1(b)W1(c)L1图1不同编织结构试样的冲击损伤表观Fig.1Impactdamageappearanceofdifferentbraidedstructuresamples观