机织复合材料细观损伤分析仿真 原创

机织复合材料

犹记得研究生面试，老师问我知不知道你导师是研究什么方向的。

这题我有准备，遂答：先进复合材料。先进这个词我还刻意加重了语气。 

其实当时来说，先进在哪我是一概不知。本文就以机织复合材料为题，看看先进复合材料力学性能的常用研究方法。 

目前工业上用的最多的一种复合材料结构是层合板。它像千层底布鞋那样，由很多层纤维布堆叠而成。每一层的纤维丝都有一个特定的角度，通过调整这个角度，可以让层合板在我们需要的方向上提供最优的力学性能。

这一点与各个方向力学性能都一致的金属材料差别很大，也是复合材料区别于传统材料最明显的一点。也就是说，复合材料这个特点，让材料的结构设计有了更多的选择。 

层合板结构

正所谓：成也萧何败萧何。层层相贴的特点，让层合板一直饱受分层的困扰。

为此发展出z向穿刺、缝合等技术，目的就是让层和层连起来。

目前最先进的当属三维纺织复合材料。不同于层合板的纤维布堆叠结构，三维纺织复合材料通过纺织工艺，像织毛衣那样，直接用纤维束织出我们需要的结构形状。

这样做的优点是，可以克服层合板内层与层之间容易脱粘分离的缺点，真正实现每个纤维的“物尽其用”。这种结构需要依靠高难度的设计技术、纺织工艺和成型工艺，因此目前仅在少量的高端部件上有所应用。

来源：http://structures.dhu.edu.cn/_s288/f3/92/c14173a193426/page.psp

比如当前最先进的LEAP航空发动机叶片，就是采用了三维纺织复合材料进行制造。

来源：https://www.sohu.com/a/160320905_732047 

机织材料作为纺织复合材料的一种，由于其制造相对简单，目前应用较多。我们经常说的平纹布、斜纹布就是一种机织材料。本文就以平纹机织复合材料为例，探讨其损伤研究仿真方法。

  机织复合材料力学性能研究方法

机织复合材料力学的研究发展的已经较为成熟，目前用的最多的就是多尺度分析，即从纤维束内部的微观、到RVE（代表性单元：单胞）细观、再到均质化处理的宏观分析，逐层递进获取材料参数。

其中以细观研究开展较多，也是初学者必须过的一道坎。这里面首个难点就是建模。当然如果我们借助英国诺丁汉大学开发的TexGen也可以完成建模和网格任务，但是掌握建模和网格技术对我们研究相关问题是十分有好处的。

我们需要搞清楚TEX单位与纱线截面积的换算关系，然后选择一种截面作为纱线截面形状（椭圆、圆、矩形、多边形），再根据纱线位置关系，确定纤维轨迹。

 平纹织物单元体截面示意图（《基于嵌入式约束的机织复合材料细观建模与分析》）

整完模型后，就要开始做网格。

比较麻烦的是树脂网格，因为纤维束嵌入在树脂内的，纤维的这种分布，在进行布尔运算的时候，树脂区域会搞出很多薄片区，这使得网格划分、收敛性成了问题。

为此，这里采用嵌入式约束解决这个问题。

嵌入式约束方法

商用软件ABAQUS中内置的嵌入式约束（Embedded）可以模拟一种物体浸润在另一物体内的完全耦合关系，在钢筋混凝土的力学模拟中应用广泛。

该方法无需对被浸润物的几何模型进行布尔运算，大大降低了建模和网格离散的难度与工作量。

也就是说这个时候，我们可以单独处理网格和纤维的网格，然后在ABAQUS中施加Embedded即可。

Embedded模型

本构模型与子程序

纤维是横观各向同性，树脂是各向同性的。因此我们需要在子程序中分别定义两者的本构。

对于损伤的判断，纤维采用Hashin准则：

树脂采用最大应力：

仿真效果

应力：

损伤分布：

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应力应变曲线结果：

 （《基于嵌入式约束的机织复合材料细观建模与分析》）