李居影，李瑩，王榮惠，魏化震，孔國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第53研究所, 山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

目前，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段燒蝕層主要采用高溫模壓成型的短切碳纖維增強(qiáng)酚醛復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有耐強(qiáng)沖刷燒蝕能力較好、成型工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)或間歇條件下工作時(shí)，擴(kuò)散段燒蝕層易產(chǎn)生開(kāi)裂、分層，甚至出現(xiàn)大面積整體脫落的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性能[1-3]。

2.5維編織復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高損傷容限、耐沖擊、抗分層和抗疲勞等綜合性能，其經(jīng)緯紗交織結(jié)構(gòu)可以明顯改善復(fù)合材料層間性能弱的缺點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注[4-7]。但是2.5維編織織物在織造過(guò)程中因經(jīng)緯紗彎曲交聯(lián)影響織物及其復(fù)合材料的力學(xué)性能[8-9]，如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化2.5維編織織物及其復(fù)合材料的力學(xué)性能成為研究熱點(diǎn)。

董偉峰[10]針對(duì)2.5維彎聯(lián)編織復(fù)合材料，采用經(jīng)向纖維束的雙凸透鏡形，且其中心線沿正弦曲線排布的假設(shè)，建立了一種新的有限元模型，并對(duì)其彈性常數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，表明了該有限元模型的正確性。朱永新等[11]采用沿經(jīng)向切片積分的方法計(jì)算2.5維編織復(fù)合材料的宏觀經(jīng)向拉伸彈性模量，經(jīng)紗彎曲程度較小的直聯(lián)結(jié)構(gòu)和添加平直經(jīng)紗的襯經(jīng)結(jié)構(gòu)能夠有效提高2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸彈性模量，并且能夠改善經(jīng)向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性。隨著有限元計(jì)算方法的發(fā)展，Cox等[12]、Xu等[13]、Meglockton等[14]、王新峰[15]、孔春元等[16-17]用有限元方法對(duì)2.5維機(jī)織復(fù)合材料的彈性力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算。

本文采用非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析方法，首先輸入碳纖維性能參數(shù)、樹(shù)脂基體力學(xué)性能參數(shù)，創(chuàng)建2.5維編織復(fù)合材料的纖維和樹(shù)脂基體組成相，然后輸入編織工藝參數(shù)建立復(fù)合材料的代表性體積元(RVE)模型，并于一端固定約束，另一端施加準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷，得到其經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。進(jìn)行彎聯(lián)結(jié)構(gòu)和直聯(lián)結(jié)構(gòu)的2.5維編織復(fù)合材料試樣制備及其拉伸性能表征試驗(yàn)，獲得兩種復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其拉伸模量等數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證了非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析方法的有效性。

1 RVE模型的建立

建立2.5維編織復(fù)合材料RVE模型是進(jìn)行仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。本文以國(guó)產(chǎn)T800/6k級(jí)碳纖維制備的2.5維編織織物為增強(qiáng)體，以含硅芳炔(PSA)樹(shù)脂為基體制備的2.5維編織復(fù)合材料作為仿真計(jì)算的初始研究對(duì)象。根據(jù)國(guó)產(chǎn)T800/6k級(jí)碳纖維性能參數(shù)如密度、縱向彈性模量、橫向彈性模量、剪切模量、泊松比等，以及樹(shù)脂基體性能參數(shù)如密度、楊氏模量、泊松比等，建立2.5維編織復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)體和樹(shù)脂基體等細(xì)觀結(jié)構(gòu)的組成相，性能參數(shù)如表1所示。

表1 2.5維編織復(fù)合材料組成相性能參數(shù)

在2.5維編織復(fù)合材料纖維增強(qiáng)體和樹(shù)脂基體等細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成相建立的基礎(chǔ)上，按照表2所示的2.5維編織織物的工藝參數(shù)，分別構(gòu)建彎聯(lián)結(jié)構(gòu)和直聯(lián)結(jié)構(gòu)的2.5維編織復(fù)合材料RVE模型。

表2 2.5維編織織物的工藝參數(shù)

圖1和圖2分別為兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型，其中紅色紗線代表經(jīng)向纖維(經(jīng)紗)，藍(lán)色紗線代表緯向纖維(緯紗)。比較圖1和圖2可以看出：彎聯(lián)編織復(fù)合材料織物的經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)較多，經(jīng)紗屈曲較大，經(jīng)紗的浮長(zhǎng)較短；直聯(lián)編織復(fù)合材料織物的經(jīng)紗與緯紗交織點(diǎn)稀疏，經(jīng)紗屈曲較小，經(jīng)紗的浮長(zhǎng)稍長(zhǎng)。

圖1 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型

圖2 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型

分別對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的RVE模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型有限元網(wǎng)格圖

圖4 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型有限元網(wǎng)格圖

2 RVE模型仿真計(jì)算

為得到兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向拉伸彈性性能，對(duì)建立的2.5維編織復(fù)合材料RVE模型進(jìn)行仿真計(jì)算。在進(jìn)行具體的仿真計(jì)算工作前作如下假設(shè)：

1)假定樹(shù)脂基體在本次準(zhǔn)靜態(tài)拉伸工況下(RVE模型單元最大拉伸應(yīng)變?yōu)?%)，僅表現(xiàn)出彈性性能。

2)假定纖維與樹(shù)脂界面的結(jié)合完好，暫不考慮界面性能對(duì)復(fù)合材料整體性能的影響。

3)假定纖維絲束在編織過(guò)程中無(wú)任何初始損傷，無(wú)纖維絲折斷等現(xiàn)象。

基于上述假設(shè)，利用非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析軟件，進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向拉伸彈性性能預(yù)測(cè)。

首先將2.5維編織復(fù)合材料RVE模型一端施加固定約束，另一端施加準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷(拉伸應(yīng)變?cè)O(shè)為1%)，拉伸方向沿2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)紗方向(經(jīng)向)。通過(guò)仿真計(jì)算得到2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的平均彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其在復(fù)合材料模型內(nèi)部的分布云圖。

圖5為仿真計(jì)算得到的彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料平均彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖5中可以看出，對(duì)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的2.5維編織復(fù)合材料RVE模型，當(dāng)經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)，經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)力達(dá)到了265 MPa，計(jì)算得知其經(jīng)向拉伸彈性模量為26.5 GPa.

圖5 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向彈性拉伸曲線

圖6為仿真計(jì)算得到的直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料平均彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖6中可以看出，對(duì)于直聯(lián)結(jié)構(gòu)的2.5維編織復(fù)合材料RVE模型，當(dāng)經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)，經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)力達(dá)到了1 060 MPa，計(jì)算得知其經(jīng)向拉伸彈性模量為106 GPa.

圖6 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向彈性拉伸曲線

圖7為仿真計(jì)算得到的彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向彈性拉伸應(yīng)力分布云圖。從圖7中可知，當(dāng)彈性拉伸應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)，RVE模型內(nèi)最大應(yīng)力達(dá)到1.51 GPa，且應(yīng)力較高點(diǎn)主要分布在經(jīng)紗伸直處，即經(jīng)紗與緯紗相交區(qū)域，緯紗及樹(shù)脂內(nèi)的應(yīng)力水平較低。圖8為仿真計(jì)算得到的彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)變分布云圖。

圖7 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)力云圖

圖8 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D

從圖8中可知，模型的最大主應(yīng)變達(dá)到3.3%(本計(jì)算過(guò)程中暫不考慮破壞)，最大主應(yīng)變分布在經(jīng)紗傾斜處，即相鄰緯紗區(qū)域。初步預(yù)測(cè)認(rèn)為，對(duì)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型，當(dāng)其受到經(jīng)向拉伸應(yīng)力破壞時(shí)，拉伸破壞首先在相鄰緯紗之間出現(xiàn)。圖9為仿真計(jì)算得到的直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)力分布云圖。

圖9 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)力云圖

從圖9中可知，當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)，RVE模型內(nèi)最大應(yīng)力達(dá)到3.21 GPa，且應(yīng)力在經(jīng)向紗線內(nèi)分布較為均勻。圖10為仿真計(jì)算得到的直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)變分布云圖。

圖10 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D

從圖10中可知，RVE模型的最大主應(yīng)變達(dá)到3.7%(本計(jì)算過(guò)程中暫不考慮破壞)，最大主應(yīng)變分布在經(jīng)紗彎曲最大處，即經(jīng)紗與緯紗相交區(qū)域。初步預(yù)測(cè)認(rèn)為，對(duì)于直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型，當(dāng)受到經(jīng)向拉伸應(yīng)力破壞時(shí)，拉伸破壞首先在經(jīng)紗彎曲最大處出現(xiàn)。

3 2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真預(yù)測(cè)的彈性拉伸模量及拉伸破壞形式準(zhǔn)確性，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法進(jìn)行彎聯(lián)結(jié)構(gòu)和直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣的經(jīng)向拉伸性能表征，計(jì)算得到了相應(yīng)復(fù)合材料的拉伸彈性模量等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并獲得了兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉伸破壞形貌圖片。將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證了2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真方法對(duì)復(fù)合材料拉伸彈性模量和拉伸破壞形式預(yù)測(cè)方面的有效性。圖11為彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

圖11 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖11仿真結(jié)果可以看出，在0～1%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，該曲線表現(xiàn)出了明顯的彈性拉伸特征。分析認(rèn)為，該彈性拉伸特征主要是由第2節(jié)設(shè)定的3個(gè)仿真計(jì)算假設(shè)決定的。由圖11試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在0～0.4%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，該曲線表現(xiàn)出了較為明顯的彈性拉伸特征；在大于0.4%的拉伸應(yīng)變范圍，該曲線卻表現(xiàn)出了較為明顯的塑性拉伸特征。分析認(rèn)為，試驗(yàn)曲線由彈性拉伸階段向塑性拉伸階段轉(zhuǎn)變主要是由于樹(shù)脂基體與纖維的斷裂以及樹(shù)脂基體與纖維基體之間界面的逐漸破壞造成的。

通過(guò)比較圖11的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，兩曲線在0～0.4%的彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中吻合度一般，當(dāng)拉伸應(yīng)變大于0.4%時(shí)，兩曲線吻合度趨好。

圖12為直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。由圖12仿真結(jié)果可以看出，該曲線和彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算曲線極為相似，在0～1%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，表現(xiàn)出明顯的彈性拉伸特征。由圖12試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在0～0.6%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，該曲線表現(xiàn)出明顯的彈性拉伸特征，在大于0.6%的拉伸應(yīng)變范圍，表現(xiàn)出明顯的塑性拉伸特征。

圖12 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過(guò)比較圖12中的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩曲線在0～0.6%的彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中吻合度較好，當(dāng)拉伸應(yīng)變大于0.6%時(shí)，兩曲線吻合度變差。

通過(guò)比較圖11和圖12的試驗(yàn)結(jié)果可知，圖12中試驗(yàn)結(jié)果的彈性拉伸應(yīng)變范圍更大。分析認(rèn)為，這主要是因?yàn)橹甭?lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織織物中沿經(jīng)紗方向的纖維伸直度比彎聯(lián)編織織物的伸直度好，經(jīng)紗與緯紗屈曲降低，而且經(jīng)紗的浮長(zhǎng)增加，在經(jīng)向拉伸方向上對(duì)2.5維編織復(fù)合材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)率更高。這種較為平直的經(jīng)向纖維編織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了復(fù)合材料中樹(shù)脂基體、纖維以及樹(shù)脂基體與纖維之間界面的斷裂破壞行為延后，相應(yīng)的曲線彈性應(yīng)變范圍增加[18-19]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料在彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中的吻合度差異，進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。表3為兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料在彈性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中經(jīng)向拉伸彈性模量的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

由表3可以看出：對(duì)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，在0～0.4%彈性拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，其經(jīng)向拉伸彈性模量仿真計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值的CV值為16.7%，其值超過(guò)15%，結(jié)果表明，RVE模型仿真計(jì)算方法不適用于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向彈性拉伸模量預(yù)測(cè)；對(duì)于直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，在0～0.6%彈性拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)，其經(jīng)向拉伸彈性模量仿真計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值的CV值僅為3.1%，對(duì)比分析認(rèn)為，采用2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真計(jì)算方法可以比較準(zhǔn)確地對(duì)直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表3 2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸彈性模量

由表3還可以看出，直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸彈性模量高于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，前者約為后者的3～4倍。

為進(jìn)一步驗(yàn)證RVE模型仿真計(jì)算方法對(duì)2.5維編織復(fù)合材料拉伸破壞形式預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試和拉伸斷裂形貌圖像采集，并與通過(guò)仿真計(jì)算彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D預(yù)測(cè)的復(fù)合材料拉伸破壞形式進(jìn)行對(duì)比分析。

圖13為彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的2.5維編織復(fù)合材料試樣的拉伸斷裂形貌照片及其對(duì)應(yīng)的相同結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D。圖13中單向紅色箭頭表示經(jīng)向纖維方向，雙向紅色箭頭表示復(fù)合材料試樣斷口位置及斷裂方向。由圖13(a)可以看出，彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣的拉伸斷面比較齊整，斷裂纖維為處于兩相鄰緯向纖維之間的經(jīng)向纖維絲束，斷裂形式為貫穿式整體斷裂，斷裂方向沿緯向纖維方向。由圖13(b)可以看出，該相同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D的最大彈性主應(yīng)變分布在兩相鄰緯向纖維(藍(lán)色區(qū)域)之間(圖中的黃色區(qū)域)，即第2節(jié)預(yù)測(cè)的復(fù)合材料RVE模型的最先斷裂位置。

圖13 彎聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸破壞及預(yù)測(cè)

通過(guò)以上對(duì)比可知，對(duì)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，其經(jīng)向拉伸斷裂特性如斷裂位置、斷裂方向的試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果非常吻合。分析認(rèn)為，采用2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真計(jì)算方法能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料拉伸斷裂形式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖14為直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣的拉伸斷面形貌照片及其對(duì)應(yīng)的相同結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D。圖14中單向紅色箭頭表示經(jīng)向纖維方向，雙向紅色箭頭表示復(fù)合材料試樣斷口位置及斷裂方向。由圖14(a)可以看出，直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料拉伸試樣出現(xiàn)了與經(jīng)向纖維方向呈約30°夾角的拉伸裂紋，無(wú)貫穿式拉伸斷面產(chǎn)生。由圖14(b)可以看出，直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D的最大彈性主應(yīng)變出現(xiàn)在經(jīng)向纖維彎曲最大處(紅色區(qū)域，經(jīng)向纖維和緯向纖維相交位置)，即第2節(jié)預(yù)測(cè)的復(fù)合材料RVE模型的最先斷裂位置。通過(guò)對(duì)出現(xiàn)的經(jīng)向纖維彎曲最大處(紅色區(qū)域)進(jìn)行連線，連線方向(雙向紅色箭頭)基本與經(jīng)向纖維方向(單向紅色箭頭)呈約30°夾角。

圖14 直聯(lián)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸破壞及預(yù)測(cè)

通過(guò)以上對(duì)比可知，對(duì)于直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，其經(jīng)向拉伸斷裂特性如斷裂位置、斷裂方向的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。分析認(rèn)為，采用2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真計(jì)算能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料拉伸斷裂形式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

本文采用非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析方法，進(jìn)行了彎聯(lián)和直聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型的經(jīng)向拉伸彈性性能仿真計(jì)算，并對(duì)RVE模型進(jìn)行了經(jīng)向拉伸彈性模量和拉伸破壞形式的預(yù)測(cè)。同時(shí)進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料試樣的經(jīng)向拉伸性能表征，并與仿真計(jì)算的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。得出主要結(jié)論如下：

1)采用非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析方法，通過(guò)2.5維編織復(fù)合材料RVE模型仿真計(jì)算，可以比較準(zhǔn)確地對(duì)直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其仿真計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值的CV值僅為3.1%；對(duì)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，其仿真計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)試值的CV值超過(guò)了15%，表明該計(jì)算方法不適用于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸彈性模量預(yù)測(cè)。

2)采用非線性多尺度材料設(shè)計(jì)與分析方法，通過(guò)復(fù)合材料RVE模型的彈性拉伸應(yīng)變?cè)茍D，可以比較準(zhǔn)確地對(duì)兩種結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的拉伸斷裂形式進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3)仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)結(jié)果均表明，直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料的經(jīng)向拉伸彈性性能要遠(yuǎn)優(yōu)于彎聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料，其中直聯(lián)結(jié)構(gòu)2.5維編織復(fù)合材料經(jīng)向拉伸彈性模量約為彎聯(lián)結(jié)構(gòu)的3～4倍。