葉林，賀鵬飛，李文曉

(同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092)

0 引言

近年來(lái)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其卓越的力學(xué)性能，如高比強(qiáng)度、高比剛度、高抗疲勞性等，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但在使用過(guò)程中會(huì)遇到多種沖擊事件：維修時(shí)的工具掉落可能造成目視不可見(jiàn)的損傷；鳥(niǎo)類(lèi)和冰雹沖擊會(huì)對(duì)天線罩、飛機(jī)風(fēng)擋、機(jī)艙、螺旋槳葉片、機(jī)翼前緣等部位造成不同程度的損傷；輪胎碎片可能會(huì)撞擊密封艙、油箱和機(jī)身，造成材料損傷；衛(wèi)星和航天飛機(jī)上的復(fù)合材料可能會(huì)受到軌道上太空垃圾的超高速?zèng)_擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

傳統(tǒng)的金屬材料由于其延展性和各向同性，其沖擊損傷通常不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題，但大多數(shù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為各向異性，極易受到?jīng)_擊破壞[1]。另外，層合板層間性能僅靠樹(shù)脂提供較為薄弱，分層損傷是復(fù)合材料最常見(jiàn)的沖擊損傷形式之一。為改善復(fù)合材料抗沖擊性能薄弱的問(wèn)題，提高損傷容限，近年來(lái)z向纖維增強(qiáng)技術(shù)成為了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要研究課題。按照厚度方向的增強(qiáng)材料引入方式的不同，可以分為z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料、縫合復(fù)合材料、三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料等[2]。

z-pin增強(qiáng)技術(shù)是在未固化的層板z向植入細(xì)桿后成型，效果上可視作利用不連續(xù)的縫線進(jìn)行增強(qiáng)。細(xì)桿材料有碳纖維、玻璃纖維、金屬等，直徑在0.3～1 mm之間。相較于其他的增強(qiáng)方式，z-pin方法易于實(shí)現(xiàn)材料的局部增強(qiáng)，操作也比較簡(jiǎn)單，適用于預(yù)浸料成型的復(fù)合材料。通過(guò)縫合技術(shù)在材料z向上引入纖維也可以有效提高層合板抵抗分層破壞的能力，減少?zèng)_擊帶來(lái)的分層損傷，但縫合技術(shù)對(duì)縫線的性能要求較高，因?yàn)樵诳p合過(guò)程中會(huì)發(fā)生縫線彎折、磨損等。縫合也會(huì)導(dǎo)致層板發(fā)生纖維彎曲，產(chǎn)生富樹(shù)脂區(qū)域等，降低面內(nèi)性能。三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以紡織預(yù)制體作為增強(qiáng)材料，具有較好的斷裂韌性和抵抗分層的能力。由于三維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的成型多使用預(yù)制體凈型制造，可以一次性成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，減少連接件的使用，避免材料連接導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷[3]。但與上述兩種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比，其對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求較高，工藝也較為復(fù)雜。

本文首先討論了不同速度下的層合板損傷模式，然后針對(duì)不同的z向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的沖擊性能影響進(jìn)行綜述，最后總結(jié)了z向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法。

1 層合復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)

復(fù)合材料在沖擊載荷作用下可能發(fā)生多種模式的失效，包括基體開(kāi)裂，纖維斷裂和分層等，不同的沖擊速度對(duì)應(yīng)不同的破壞模式。復(fù)合材料受到的沖擊載荷可分為低速(1～10 m/s)、高速(>10 m/s)和彈道沖擊(>500 m/s)(表1)。低速?zèng)_擊可能是維護(hù)操作期間工具掉落造成的。高速?zèng)_擊來(lái)自起降過(guò)程中跑道碎屑沖擊、螺旋槳結(jié)冰撞擊機(jī)身、冰雹和鳥(niǎo)撞擊等。彈道沖擊多出現(xiàn)在軍事領(lǐng)域中，發(fā)生于爆炸、彈體侵徹等情況下[4]。

表1 沖擊載荷的分類(lèi)及其應(yīng)用

Andrew[5]等總結(jié)了不同沖擊能量下的層合板損傷機(jī)制，如圖1所示。能量較低時(shí)層板主要發(fā)生樹(shù)脂開(kāi)裂、纖維/基體界面損傷以及分層損傷，能量較高時(shí)則以纖維斷裂為主。

圖1 不同沖擊能量下的損傷機(jī)制[5]

低速?zèng)_擊的損傷一般始于基體裂紋，此時(shí)材料發(fā)生較大的彈性變形，底部由于彎曲導(dǎo)致的基體裂紋。對(duì)于較厚的平板，裂紋則出現(xiàn)在靠近頂部的位置，頂部的裂紋由接觸應(yīng)力產(chǎn)生，稱(chēng)為剪切裂紋。隨后基體裂紋在相鄰層之間的界面上引發(fā)分層，并逐漸擴(kuò)展至其他層。低速?zèng)_擊造成的分層損傷以及材料內(nèi)部的基體裂紋肉眼很難探測(cè)，也不易進(jìn)行修復(fù)。在后續(xù)的使用過(guò)程中，裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度(包括拉伸、壓縮、剪切和彎曲)和剛度大幅度降低，引發(fā)提前失效，降低復(fù)合材料的使用壽命。因此，針對(duì)低速?zèng)_擊載荷，主要防止材料產(chǎn)生分層破壞。高速?zèng)_擊下，大部分的能量在緊鄰沖擊位置的區(qū)域內(nèi)耗散，目標(biāo)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常局限，材料彈性變形較小，容易在局部發(fā)生穿透破壞，進(jìn)而引起纖維斷裂和纖維拔出[圖1(c)]。高速?zèng)_擊會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞性失效，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，面對(duì)高速?zèng)_擊時(shí)，以防止材料擊穿為主。

2 z向增強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響

2.1 z-pin結(jié)構(gòu)

z-pin可以有效提高層合板的抗沖擊性，大部分的研究集中于低速?zèng)_擊，僅有個(gè)別研究聚焦高速?zèng)_擊，包括飛鳥(niǎo)、冰雹等，但對(duì)z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料的彈道沖擊則未見(jiàn)報(bào)道。

研究人員通過(guò)端部開(kāi)口彎曲實(shí)驗(yàn)和雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)[6]研究z-pin增韌層板的Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌性，并建立z-pin的增韌機(jī)理模型，發(fā)現(xiàn)z-pin在材料中形成一個(gè)大尺度的橋接區(qū)域(Large cale bridging zoom)，裂紋擴(kuò)展時(shí)可以提高對(duì)分層生長(zhǎng)的抵抗能力。Cartié[7]發(fā)現(xiàn)Ⅰ型加載情況下材料失效模式較為簡(jiǎn)單，由于樹(shù)脂的Ⅰ型斷裂能較低，z-pin的脫粘和拔出吸收了大部分能量。Ⅱ型載荷下z-pin增韌層板的響應(yīng)是樹(shù)脂基體本身裂紋擴(kuò)展阻力和z-pin多種失效機(jī)制的疊加(圖2)，包括z-pin拔出、z-pin內(nèi)部剪切失效和z-pin橫向剪切失效。

圖2 Ⅱ型載荷下不同失效模式實(shí)例及示意圖

Francesconi[8]發(fā)現(xiàn)，較低的沖擊能量下(約1.5 J/mm)，z-pin的加入不能有效抑制分層的發(fā)生；但是在能量大于8 J/mm之后，z-pin增強(qiáng)的層合板產(chǎn)生的分層破壞則減少了60%～70%(圖3)。這是由于沿著短的分層裂紋沒(méi)有完全建立橋接區(qū)域，z-pin抑制分層裂紋萌生和非常短的分層裂紋擴(kuò)展的能力較弱。一旦沖擊能量高到足以創(chuàng)造一個(gè)完整的橋接區(qū)域，z-pin即可有效阻止裂紋擴(kuò)展，減少層板的沖擊損傷。

圖3 不同沖擊能量下z-pin增強(qiáng)對(duì)層壓板的分層面積的影響

z-pin的增韌效果取決于諸多因素，例如z-pin體分含量、z-pin材料[9]、z-pin橫截面形狀[10]等。Koh[11]等對(duì)體分含量為0～4%的z-pin增強(qiáng)單搭接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，隨z-pin體分含量增加，接頭的極限載荷、吸收總能量均增加；在4%時(shí)，極限載荷比未增韌的材料提高23%。體分含量在2%以下時(shí)，破壞模式是沿粘接線破壞，4%體分含量的z-pin接頭破壞則是由面板失效造成的(圖4)。這是由于z-pin產(chǎn)生的剪切橋接牽引載荷大于面板的拉伸失效載荷，且z-pin抑制了結(jié)構(gòu)沿粘接線開(kāi)裂。

圖4 不同體分含量單搭接頭破壞模式

Knaupp[10]等對(duì)圓形和矩形截面z-pin進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓形z-pin的增韌效果不如矩形z-pin，這可能是由于矩形z-pin與層合板的結(jié)合更加緊密。Zhang[12]等人研究發(fā)現(xiàn)層板厚度越大、沖擊能量越高，z-pin對(duì)抗沖擊性能的提升越為明顯，分層面積越小。沖擊后，壓縮性能的提升與z-pin在材料內(nèi)部的牽引力大小有關(guān)，而與層板的厚度無(wú)關(guān)。z-pin牽引力的大小取決于z-pin的參數(shù)(密度、直徑等)，與沖擊造成的裂紋長(zhǎng)度也有關(guān)。z-pin的存在導(dǎo)致材料在沖擊載荷下分層損傷面積更小，因此可以得到更高的壓縮強(qiáng)度。鄭錫濤[6]等測(cè)量了z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的Ⅰ型、Ⅱ型斷裂韌性，指出增大z-pin植入的直徑、密度均能增加層合板斷裂韌性，增大z-pin針密度的方法更為有效。

2.2 縫合結(jié)構(gòu)

Bilisik[13]等發(fā)現(xiàn)，縫合能減少50%左右的沖擊損傷面積。這證明了在低速?zèng)_擊下，縫合增強(qiáng)確實(shí)能將分層損傷抑制在縫線附近的較小區(qū)域。對(duì)壓縮強(qiáng)度的研究[14]指出，縫合增強(qiáng)方法使層板的剩余壓縮強(qiáng)度提升也非常明顯。不同沖擊能量下，縫合使壓縮強(qiáng)度提高最多72.05%(表2)。

表2 縫合與未縫合層板低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較[14]

但也有部分研究人員發(fā)現(xiàn)縫合復(fù)合材料的抗沖擊性與層合板并無(wú)較大差異。Mouritz[15]指出，這與沖擊載荷引起的最大分層裂紋長(zhǎng)度有關(guān)。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度超過(guò)15mm后，縫合層板的分層損傷面積與未縫合層板的損傷面積相比顯著減小。這是由于裂紋較短時(shí)縫線無(wú)法形成橋接區(qū)域，這與Francesconi[8]提到的z-pin增強(qiáng)機(jī)理類(lèi)似。

縫合參數(shù)方面，層板厚度[16]、縫合密度[14]、縫線直徑[17]等因素對(duì)縫合層板低速?zèng)_擊響應(yīng)均有影響。厚板經(jīng)過(guò)縫合以后能夠顯著提高抗沖擊性能，這可能是因?yàn)楹癜蹇梢栽诓划a(chǎn)生凹痕的條件下承受足夠多的內(nèi)部損傷。但對(duì)于薄板來(lái)說(shuō)，沖擊造成很少的內(nèi)部損傷時(shí)就產(chǎn)生了凹痕，導(dǎo)致其更容易損壞。對(duì)不同縫線直徑、不同縫合密度的層合板實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，一定范圍內(nèi)縫線直徑越大、縫線密度越高，沖擊后斷裂的縫線越少，損傷面積越小。

2.3 三維紡織結(jié)構(gòu)

三維紡織結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)織、針織、編織等，多用于彈道防護(hù)、高速車(chē)輛防護(hù)等領(lǐng)域。對(duì)材料抗侵徹性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，纖維在高速加載下表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)條件下不同的力學(xué)性能，即纖維的應(yīng)變率效應(yīng)。這是建立材料力學(xué)本構(gòu)的關(guān)鍵，許多研究利用分離式霍普金森桿對(duì)三維紡織材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究。例如Gu[18]等針對(duì)三維機(jī)織、三維編織和多軸向多層經(jīng)編針織復(fù)合材料展開(kāi)的高應(yīng)變率下壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線與應(yīng)變率相關(guān)，壓縮剛度隨應(yīng)變率的增加而增大。針對(duì)沖擊拉伸的實(shí)驗(yàn)顯示[19]，材料彈性模量與失效強(qiáng)度均隨應(yīng)變率增大而增大。

2.3.1 三維機(jī)織結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)表明，三維機(jī)織復(fù)合材料的抗沖擊性能更高(圖5)，三維機(jī)織復(fù)合材料的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(峰值位移、峰值能量，峰值力和總吸收能)均高于單向板和二維機(jī)織復(fù)合材料[20]。在三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，正交機(jī)織結(jié)構(gòu)的抗沖擊性最優(yōu)，具有最高的總吸收能，其次是角聯(lián)鎖和經(jīng)聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)。Potluri[21]對(duì)比了分層面積的情況(圖6)，發(fā)現(xiàn)損傷面積隨沖擊能量近似線性增加；與二維機(jī)織和單向交叉鋪層層壓板相比，三維機(jī)織復(fù)合材料顯示出明顯較低的損壞面積；不同結(jié)構(gòu)的三維機(jī)織復(fù)合材料沖擊后分層面積較為接近。

圖5 不同結(jié)構(gòu)的沖擊數(shù)據(jù)

圖6 不同結(jié)構(gòu)的沖擊后分層面積

Pavani[22]等將三維正交機(jī)織復(fù)合材料彈道沖擊下的破壞分為以下幾個(gè)階段(圖7)：彈丸接觸靶板，壓應(yīng)力波和剪切應(yīng)力波沿厚度方向傳播，彈丸正下方的材料受壓，并在其周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力導(dǎo)致材料部分失效。剪切波到達(dá)材料背面，材料背面發(fā)生圓錐形變形，部分材料因拉伸失效。彈丸穿透靶板，在沖擊過(guò)程中，首先是彈丸正下方的材料壓縮變形，以及沖擊部位周?chē)睦w維拉伸變形，其次是剪切應(yīng)力導(dǎo)致的內(nèi)部基體裂紋，最后彈丸穿透過(guò)程中與材料的摩擦也會(huì)耗散部分能量。

圖7 三維機(jī)織復(fù)合材料彈道沖擊過(guò)程

學(xué)者對(duì)z向纖維體分含量、機(jī)織結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。PANKOW[23]比較了z向纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0～10%的三維機(jī)織復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)過(guò)高和過(guò)低的z向纖維體積分?jǐn)?shù)均不利于抵抗沖擊。z向纖維太少導(dǎo)致分層損傷明顯，過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致纖維的面內(nèi)性能下降過(guò)多。對(duì)正交機(jī)織結(jié)構(gòu)和角聯(lián)鎖機(jī)織結(jié)構(gòu)的橫向沖擊實(shí)驗(yàn)[24]發(fā)現(xiàn)，正交機(jī)織結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力更好，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的z向接結(jié)紗含量更高，因此Jamil[25]等建議若關(guān)注厚度方向上的抗沖擊能力應(yīng)使用正交機(jī)織復(fù)合材料，若應(yīng)用于復(fù)雜型面則以角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)為佳。

2.3.2 三維編織結(jié)構(gòu)

Zhang[26]等對(duì)比了二維層板和三維編織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊響應(yīng)，如圖8所示。沖擊力-位移曲線給出了沖擊破壞的四個(gè)階段，在圖8以A-D點(diǎn)表示，A點(diǎn)處的沖擊力降低是基體開(kāi)裂導(dǎo)致的，此時(shí)對(duì)應(yīng)材料的疲勞性能下降；B點(diǎn)對(duì)應(yīng)基體裂紋結(jié)合形成纖維/基體的脫粘和分層，此時(shí)層板的彎曲剛度會(huì)顯著降低；沖擊力在C點(diǎn)達(dá)到最大值，纖維發(fā)生斷裂，剛度也突然降低，層板在D點(diǎn)達(dá)到最大位移并發(fā)生回彈。三維編織材料BC段的斜率明顯更低，這是由于編織材料不發(fā)生分層破壞，纖維和基體共同承受沖擊載荷，發(fā)生漸進(jìn)式損傷。編織復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下，峰值位移大于層合板，峰值力則小于層合板。這可能是因?yàn)闃?shù)脂富集和纖維交叉，編織復(fù)合材料內(nèi)部更容易形成應(yīng)力集中。

圖8 沖擊力-位移曲線

研究者針對(duì)編織角度[27]、編織方法[26]等參數(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，顯示隨著編織角的增大，材料在沖擊載荷下的損傷區(qū)域面積減小，承受的峰值載荷也更大，這可能是由于大編織角的材料更為致密。但與之相對(duì)的是壓縮強(qiáng)度下降。這是由于編織角較小的材料能在纖維束方向承受更大的壓縮載荷，編織角增大會(huì)使得纖維法向的載荷增加，引起界面損傷，導(dǎo)致沿界面的剪切破壞。對(duì)三維四向、五向、六向和七向編織的復(fù)合材料低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三維五向編織復(fù)合材料具有最低的沖擊損傷面積和凹坑深度，同時(shí)具有最高的抗沖擊強(qiáng)度。

2.3.3 三維針織結(jié)構(gòu)

Skrifvars等[28]對(duì)單軸經(jīng)編針織物和纖維隨機(jī)取向的非織造布制備的夾層復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨針織物含量的增高，夾層結(jié)構(gòu)的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能均有所提高。從破壞形式來(lái)看，含有較高針織物比例的復(fù)合材料損傷面積更小，大部分能量被纖維吸收，基體較為完好。Jimil等[25]對(duì)三維針織/機(jī)織物的彈道沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)針織物受到拉伸破壞的影響更小。這是因?yàn)獒樋椢锞哂协h(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此纖維更少發(fā)生滑移。

Li[29]等研究了沖擊速度對(duì)多軸經(jīng)編針織復(fù)合材料的沖擊損傷的影響。發(fā)現(xiàn)沖擊速度較低時(shí)，能量在沖擊點(diǎn)附近傳播并擴(kuò)散，導(dǎo)致沖擊部位材料分層；然后在表面形成彎曲裂紋，在背面形成十字形破壞。沖擊速度較高時(shí)，材料會(huì)穿透并發(fā)生嚴(yán)重分層。層間纖維在沖擊力的作用下發(fā)生剪切斷裂，界面脫粘，背面破壞區(qū)域?yàn)樗倪呅巍Ｋ麄冞€研究了溫度對(duì)低速?zèng)_擊性能的影響[30]，比較了室溫和低溫下的沖擊結(jié)果，發(fā)現(xiàn)低溫下材料的抗沖擊性能顯著提高。這可能是由于低溫下樹(shù)脂基體變硬，纖維/基體之間的界面粘結(jié)力顯著增加，阻止了應(yīng)力波的傳播。

3 z向增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊模擬研究

對(duì)z-pin增韌和縫合增韌的模擬方法較為類(lèi)似，主要有三種方法。一是把z向纖維的橋聯(lián)力對(duì)整個(gè)粘接面積進(jìn)行平均，利用等效的均布界面單元進(jìn)行模擬。但這種方法僅僅適用于z向增強(qiáng)材料較為密集的情況，對(duì)稀疏條件下的結(jié)果擬合結(jié)果較差。二是將z-pin或縫線視作非線性彈簧單元。這種方法的缺點(diǎn)是彈簧單元只能產(chǎn)生軸向力，Ⅰ型和Ⅱ型橋聯(lián)力只能同步變化，與實(shí)際情況不符。第三種方法是使用內(nèi)聚力單元進(jìn)行模擬，是近年來(lái)較為有效的方法。許愛(ài)華[31]對(duì)z-pin增強(qiáng)單搭接頭的落錘沖擊損傷進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)在相同的沖擊能量下，z-pin體積含量越大，層間損傷面積越?。浑Sz-pin直徑增大，層間損傷的面積呈上升趨勢(shì)，接頭的抗沖擊能力減弱。

三維織物具有較為復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，因此采用理論分析具有較大的難度。學(xué)界普遍采用有限元方法進(jìn)行研究，現(xiàn)有的研究方法主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是建立宏觀有限元模型，通過(guò)三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變率下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出材料的本構(gòu)關(guān)系，再進(jìn)行模擬。這種方法雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但不能真實(shí)地反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程。另一種基于細(xì)觀方法，將纖維和基體按照真實(shí)狀況進(jìn)行建模，通過(guò)各組分的性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)描述材料的總體性能建立精細(xì)模型。相比于宏觀有限元模型，此類(lèi)模型更能反應(yīng)材料在受到?jīng)_擊載荷的破壞模式、損傷情況等。

文獻(xiàn)[32]對(duì)機(jī)織復(fù)合材料的彈道侵徹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用連續(xù)殼單元模擬層合板，使用cohesive單元模擬層間應(yīng)力，使用Hashin準(zhǔn)則判斷沖擊損傷過(guò)程。相較于實(shí)體單元，殼單元的建模更為簡(jiǎn)單，且大大節(jié)省了計(jì)算成本。細(xì)觀模型方面，Liu[33]等、Wan[34]等針對(duì)不同應(yīng)變率下三維紡織結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行模擬，并進(jìn)行參數(shù)化分析，對(duì)于不同編織角的三維編織復(fù)合材料沖擊壓縮性能進(jìn)行了研究。Ma[35]等建立了細(xì)觀有限元模型，比較了三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料和三維角聯(lián)鎖機(jī)織物的防彈性能，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂在傳遞和耗散沖擊能量時(shí)起到關(guān)鍵作用，沖擊能量在較短時(shí)間內(nèi)被轉(zhuǎn)移到較大區(qū)域，進(jìn)而提高復(fù)合材料整體承載能力。

4 結(jié)論

(1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊損傷與沖擊速度密切相關(guān)，低速?zèng)_擊造成的主要損傷形式為基體裂紋和分層損傷，易產(chǎn)生肉眼不可見(jiàn)的損傷，導(dǎo)致材料的性能下降。高速?zèng)_擊的主要損傷形式以穿透為主，伴隨著由穿透引發(fā)的纖維斷裂和纖維拔出等。

(2)z-pin增韌可以有效提高材料受到?jīng)_擊后的壓縮性能，減少由于低速?zèng)_擊造成的分層損傷，提高損傷容限。由于其增韌機(jī)理的特殊性，在較低沖擊能量下對(duì)分層擴(kuò)展的抑制效果并不顯著。當(dāng)沖擊能量高到足以創(chuàng)造一個(gè)完整的橋接區(qū)域，z-pin即可有效阻止裂紋擴(kuò)展，減少層板的沖擊損傷。近年來(lái)，多使用內(nèi)聚單元對(duì)z-pin的增韌效果進(jìn)行模擬，與實(shí)驗(yàn)取得了較好的一致性。

(3)縫合的增韌機(jī)理與z-pin類(lèi)似，縫線周?chē)母粯?shù)脂區(qū)域使其在沖擊載荷下產(chǎn)生更多的基體裂紋?？p合的增韌效果受到多方面參數(shù)的影響，包括層板厚度、縫合方式、縫合密度、縫線直徑等。對(duì)縫線的模擬方法有許多，將其等效為桿單元的效果較為理想。數(shù)值模擬方面針對(duì)層板的不同損傷形式發(fā)展了多種判據(jù)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

(4)三維紡織復(fù)合材料多用于抵抗高速?zèng)_擊、彈道沖擊，進(jìn)行材料設(shè)計(jì)時(shí)需考慮應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)其材料參數(shù)和破壞形貌的影響。紡織材料的結(jié)構(gòu)多種多樣，影響抗沖擊性能的參數(shù)也較多，因此需要發(fā)展數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用宏觀模型進(jìn)行模擬能夠減少計(jì)算量，但建立真實(shí)結(jié)構(gòu)的細(xì)觀模型可以精確地反映沖擊過(guò)程中材料響應(yīng)。