三维全五向编织复合材料的切边效应

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSin／caAug．252017V01．38No．8SSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaaeducrl三维全五向编织复合材料的切边效应刘振国1一，黄祥1，亚纪轩1，雷冰1，李小康1，程新21．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832．西安航天复合材料研究所，西安710025摘要：对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和

2、沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验，实验结果表明，沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约lo％和25％；沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3％和18％；进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算，得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力一应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比，结果显示二者吻合良好。研究结果表明，三维仝五向编织复合材料的编织角越大，拉伸刚度和强度会越小；试件尺寸越大，厚度方向和宽度方向切边的影响越小，并趋于定值。关键词：三维全五向；编织角；切边效应；实验研究；力学性能中图分类号：V258+．3；TB332文献

3、标识码：A文章编号：i000—6893(2017)08—220885—12三维编织复合材料是近年来逐渐发展起来的一种新型先进复合材料，具有良好的整体性与可设计性，与传统的层合复合材料相比有着独特优越的力学性能，克服了层合板易分层、抗冲击性能差的缺点[1。2]。常规复合材料是把预浸料按一定角度与顺序进行铺叠或者把纤维束或丝缠绕制成的，纤维形成典型的二维结构。三维编织复合材料是通过纤维束相互交织形成预制件，然后经过固化成型而最终得到的[3]。根据纤维的空间走向特征，可分为三维四向、五向和多向等，其中三维全五向(3DF5D)编织复合材料在内部细观结构上比三维五向编织复合材

4、料轴向纱总数提高了1倍，同时改善了编织纱和轴向纱的直线度，明显增强了该材料的轴向性能[4]。但三维编织复合材料在工程应用中会进行相应的机械加工，且在特定的工作环境下也会发生磨损与烧蚀，对材料的表面纤维结构造成一定的破坏，降低结构的承载能力。I。u等[5“]研究了一种针对三维四向编织复合材料的六边形截面纤维束结构单胞模型，并采用有限元方法计算了其弹性模量。Zhang等口1研究了三维全五向编织复合材料并建立相应的胞元模型，对模型进行了有限元刚度预测，为后续的三维全五向编织复合材料研究奠定了基础。Zeng等[83研究了单胞内的纤维束和基体的应力分布，并在此基础上对三维编织

5、复合材料失效破坏的全过程非线性应力应变响应进行了模拟，其数值仿真结果与实验结果对比具有较好的一致性。卢子兴和刘振国[91研究了三维编织复合材料的刚度性能有限元分析模型，对单胞内纤维纱束和树脂基体局部单元细观应力进行计算，初步建立了一个基于经验数据的材料宏观失效准则。Fang等[1“”3建立了八边形纤维束截面的三维四向编织复合材料的几何单胞模型，然后对单胞中的纤维束、基体与界面分别引入相应的初始损伤准则收稿日期：2016．10．25；退修日期：2016—11—14；录用日期：2017—04-25；网络出版时间：2017—05．1210：58网络出版地址：WWW．cnk

6、inet／kcms／detail／111929．V．201705121058002html*通讯作者E—mail：liuzg@buaaeduCn引用格武；刘振雷．黄祥，亚纪轩。等．三维全五向编织复合材料的切边效应!JI．航空学报．2017．38(8)：220885iL

7、UZG．HUANGX．YAJX．eta1．Cut-edgeeffectofthree—dimensionalfullfive—directionalbraidedcompositesEJJ．ActaAeronaut／caetAstronaut／caSin，ca，2017，38(8)：220885，22

8、0885—1航空学报并区分材料不同的破坏模式，对三维四向编织复合材料在单轴拉伸与压缩载荷条件下的渐近损伤演化过程进行了仿真分析。Macander等口朝研究了切边和未切边三维编织复合材料试件的力学性能。实验结果显示三维四向和五向编织复合材料件的平均拉伸强度分别较未切边的试件下降了将近60％和50％。陈绍杰和梁晶红[14]研究了切割对三维编织复合材料的性能影响，切割后强度下降了接近50％。Li等LI习研究了切割三维四向编织复合材料厚度方向和宽度方向上拉伸、压缩和弯曲的实验对比，由实验得出，宽度方向切割相对厚度方向切割来说，对强度和刚度的影响更小。魏丽梅[161研究了