機織復合材料

猶記得研究生面試，老師問我知不知道你導師是研究什么方向的。

這題我有準備，遂答：先進復合材料。先進這個詞我還刻意加重了語氣。 

其實當時來說，先進在哪我是一概不知。本文就以機織復合材料為題，看看先進復合材料力學性能的常用研究方法。 

目前工業上用的最多的一種復合材料結構是層合板。它像千層底布鞋那樣，由很多層纖維布堆疊而成。每一層的纖維絲都有一個特定的角度，通過調整這個角度，可以讓層合板在我們需要的方向上提供最優的力學性能。

這一點與各個方向力學性能都一致的金屬材料差別很大，也是復合材料區別于傳統材料最明顯的一點。也就是說，復合材料這個特點，讓材料的結構設計有了更多的選擇。 

層合板結構

正所謂：成也蕭何敗蕭何。層層相貼的特點，讓層合板一直飽受分層的困擾。

為此發展出z向穿刺、縫合等技術，目的就是讓層和層連起來。

目前最先進的當屬三維紡織復合材料。不同于層合板的纖維布堆疊結構，三維紡織復合材料通過紡織工藝，像織毛衣那樣，直接用纖維束織出我們需要的結構形狀。

這樣做的優點是，可以克服層合板內層與層之間容易脫粘分離的缺點，真正實現每個纖維的“物盡其用”。這種結構需要依靠高難度的設計技術、紡織工藝和成型工藝，因此目前僅在少量的高端部件上有所應用。

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

比如當前最先進的LEAP航空發動機葉片，就是采用了三維紡織復合材料進行制造。

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

機織材料作為紡織復合材料的一種，由于其制造相對簡單，目前應用較多。我們經常說的平紋布、斜紋布就是一種機織材料。本文就以平紋機織復合材料為例，探討其損傷研究仿真方法。

  機織復合材料力學性能研究方法

機織復合材料力學的研究發展的已經較為成熟，目前用的最多的就是多尺度分析，即從纖維束內部的微觀、到RVE（代表性單元：單胞）細觀、再到均質化處理的宏觀分析，逐層遞進獲取材料參數。

其中以細觀研究開展較多，也是初學者必須過的一道坎。這里面首個難點就是建模。當然如果我們借助英國諾丁漢大學開發的TexGen也可以完成建模和網格任務，但是掌握建模和網格技術對我們研究相關問題是十分有好處的。

我們需要搞清楚TEX單位與紗線截面積的換算關系，然后選擇一種截面作為紗線截面形狀（橢圓、圓、矩形、多邊形），再根據紗線位置關系，確定纖維軌跡。

 平紋織物單元體截面示意圖（《基于嵌入式約束的機織復合材料細觀建模與分析》）

整完模型后，就要開始做網格。

比較麻煩的是樹脂網格，因為纖維束嵌入在樹脂內的，纖維的這種分布，在進行布爾運算的時候，樹脂區域會搞出很多薄片區，這使得網格劃分、收斂性成了問題。

為此，這里采用嵌入式約束解決這個問題。

嵌入式約束方法

商用軟件ABAQUS中內置的嵌入式約束（Embedded）可以模擬一種物體浸潤在另一物體內的完全耦合關系，在鋼筋混凝土的力學模擬中應用廣泛。

該方法無需對被浸潤物的幾何模型進行布爾運算，大大降低了建模和網格離散的難度與工作量。

也就是說這個時候，我們可以單獨處理網格和纖維的網格，然后在ABAQUS中施加Embedded即可。

Embedded模型

本構模型與子程序

纖維是橫觀各向同性，樹脂是各向同性的。因此我們需要在子程序中分別定義兩者的本構。

對于損傷的判斷，纖維采用Hashin準則：

樹脂采用最大應力：

仿真效果

應力：

損傷分布：

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應力應變曲線結果：

 （《基于嵌入式約束的機織復合材料細觀建模與分析》）