三維編織復合材料的案例
RTM工藝與三維編織復合材料制造技術
三維編織復合材料是利用紡織技術，通過編織形成干態(tài)預成形件，將干態(tài)預成形件作為增強體，采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）或樹脂膜滲透工藝（RFI），進行浸膠固化，直接形成復合材料結構。作為一種先進的復合材料，已成為航空、航天領域的重要結構材料, 并在汽車、船舶、建筑領域及體育用品和醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應用。傳統(tǒng)復合材料經(jīng)典層合板理論已無法滿足其力學性能分析，國內(nèi)外學者建立了新的理論和分析方法。
三維編織復合材料是仿織復合材料之一，是由采用編織技術織造的纖維編織物（又稱三維預成形件）所增強的復合材料，其具有高的比強度、比模量、高的損傷容限和斷裂韌性、耐沖擊、抗開裂和疲勞等優(yōu)異特點。三維編織復合材料作為一種先進的復合材料，倍受工程界關注，業(yè)已成為航空、航天領域的重要結構材料，并在汽車、船舶、建筑領域、體育用品和醫(yī)療器械等方面得到了廣泛應用。
三維編織復合材料的發(fā)展是因為單向或二向增強材料所制得的復合材料層間剪切強度低、抗沖擊性能差、不能用作主承力件，L.R.Sanders于1977年把三維編織技術引入工程應用中。所謂3D編織技術是通過長短纖維在空間按一定的規(guī)律排列，相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，使復合材料不再存在層間問題，且抗損傷能力大大提高。其工藝特點是能制造出各種規(guī)則形狀及異形實心體，并可使結構件具有多功能性，即編織多層整體構件。目前三維編織的方式大約有20多種，但常用的有4種，分別是極線編織（polar braiding）、斜線編織（diagonalbraiding or packing braiding）、正交線編織（orthogonal braiding）和繞鎖線編織（warp interlock braiding）。三維編織中又有多種型式，例如二步法三維編織、四步法三維編織、多步法三維編織。
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分析三維編織復合材料的力學性能的方法還需要進一步地發(fā)展，建立相對完善的強度準則是擴大三維編織復合材料使用的理論依據(jù)，同時，尋求準確求解三維編織復合材料的細觀力學解也是亟待解決的問題。
來源：玻纖復材
利用Digimat-FE對三維五向編織復合材料進行性能表征
三維編織復合材料作為一種新型的復合材料, 由于它具有整體異形性和三維預制體制造等優(yōu)點和靈活的性能可設計性, 在國內(nèi)外航空、航天等領域得到了廣泛的應用。近 20 年, 國內(nèi)很多科研機構都對對三維編織復合材料力學性能開展了系列研究。
三維四向編織復合材料克服了傳統(tǒng)層合復合材料的分層開裂敏感、抗沖擊損傷性能差等缺點, 厚度方向強度得到了很大提高, 但同時面內(nèi)性能有所下降。為了提高三維編織復合材料的縱向性能, 發(fā)展了三維五向編織復合材料。
三維五向編織結構是在基本的三維四向編織結構基礎上, 在編織過程中引入沿編織成型方向不動的紗線而形成的一種新的整體編織結構。在三維四向編織結構中, 所有的編織紗線均與編織成型方向有一個夾角,共有四種空間傾斜方向, 部分紗線通過了材料的厚度方向, 有效提高了材料厚度方向的性能, 但是, 同時使材料的面內(nèi)性能有所下降。而在三維五向編織結構中, 除了有四組傾斜分布的編織紗線以外, 還有一組沿材料縱向 (編織成型方向或第五向) 分布的紗線。縱向紗線幾乎處于伸直狀態(tài), 可以改善材料縱向性能。
三維四向編織、三維五向編織示意圖
三維編織材料的性能表及測試方法都未形成成熟的標準, 需要進一步進行研究探討。下面將通過Digimat-FE對三維五向編織進行建模，通過Digimat-FE計算三維五向編織材料的工程常數(shù)，以實現(xiàn)通過仿真對三維五向編織材料性能的預測。
首先，在Digimat-FE中定義材料屬性。分別包括基材與纖維特性
接下來定義每相特性與RVE特性，
最終就可以生成三維五向編織的RVE模型如下圖所示
然后對模型進行像素網(wǎng)格劃分
選擇計算工程常數(shù)
最終可計算出工程常數(shù)
從上述過程可以看到，通過Digimat-FE我們可以很方便的對三維編織材料的力學性能進行表征。
展開 聯(lián)合使用Hetval和USDFLD模擬三維編織復合材料沖擊損傷生熱
三維編織復合材料具有復雜的細觀結構，附件文獻對三維編織復合材料沖擊損傷生熱進行了細致的研究。他們分別建立了樹脂基體和纖維束，再進行幾何體的組裝，如下圖所示：
用這種方式建立的三維模型，建模比較復雜，網(wǎng)格的劃分也特別費時費力，而且很容易出現(xiàn)計算不收斂的情況，在此推薦另一鐘做法，直接用USDFLD定義場變量的方式，區(qū)分樹脂基體和纖維束，用這種方式建模的模型如下所示：
詳情可以參考這篇文獻：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017341595?via%3Dihub。
三維編織復合材料吸濕性能有限元分析.pdf
對于某種特定材料，有許多種損傷準則可以選擇。文獻認為，在準靜態(tài)情況下溫度場與應力應變的關系為：
其中，k是熱傳導率，T是絕對溫度，C是比熱，a是熱膨脹系數(shù)，r和u是彈性常數(shù)，p是密度。
此外，在沖擊情況下溫度場與應力應變關系為：
b為材料相關的系數(shù)，對于雙酚樹脂，取值為0.25。
基于上述熱力耦合的本構模型，工作室通過聯(lián)合USDFLD和Hetval子程序，實現(xiàn)了考慮沖擊損傷的熱力耦合本構模型，得到的結果如下圖所示：
詳細信息參看文獻：
熱力關系文獻.pdf
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展開 
基于Abaqus的umat子程序實現(xiàn)三維編織復合材料疲勞性能預測
如圖所示，在單胞徹底失效前，材料損傷區(qū)域變化不大，但一旦發(fā)生失效，擴展十分迅速，說明了疲勞破壞具有突變性和快速性。
圖3 纖維束損傷演化情況
3. 后記
最后，筆者在這邊強調下，本文提到的方法適用面較廣，不僅僅只針對于三維編織復合材料，對于一般的纖維增強復合材料均可適用，只需在Umat子程序中調整對應參數(shù)即可。同時，大家若有更好的想法、建議或相關需求，可通過公眾號或站內(nèi)私信聯(lián)系我們。
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參考文獻：
馮繼強. 三維四向編織復合材料疲勞性能研究[D]. 2017.
展開 分享諾丁漢大學復合材料三維編織結構建模工具包（附說明書及參考文獻）
給大家分享一個諾丁漢大學編寫的三維編織復合材料建模工具包，附件有文獻和使用說明。程序時公開的，但是使用時記得在參考文獻中注明其出處哦。
以下是程序界面，軟件名稱TexGen,軟件生成的編制結構可導入幾大有限元軟件，效果還不錯。
程序界面
文件過大，可通過以下鏈接下載：
鏈接：http://pan.baidu.com/s/1gfwSeg7 密碼：ie9r
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母親節(jié)特稿 | Digimat 編織材料，傳遞溫暖
概述
提起母親，總是要想起小時候，寒冷冬夜里挑燈給小編織的毛衣、圍巾，雖然粗糙，但是溫暖。如今，雖然可以很便利的買到各種款式新穎、花紋漂亮、材質保暖的毛衣，但是母親的溫暖卻是買不到的。作為一個復合材料從業(yè)人員，編織毛衣小編是不會的，不過在母親節(jié)來臨之際，利用自己的所學，做一個編織材料的小算例，回饋母愛，也作對天下母親的祝福。
典型的編織結構示意
挑戰(zhàn)
復合材料中編織復合材料的原理和編織毛衣的原理是很類似的，編織復合材料具有高度整體化的空間互鎖網(wǎng)狀結構，可有效避免傳統(tǒng)層和復合材料的分層破壞，沖擊韌性、損傷容限與抗疲勞特性優(yōu)異，結構可設計性強，能夠實現(xiàn)異形件的凈尺寸整體成型，因此在結構材料領域倍受關注。
三維紡織復合材料還具有損傷后易修理、工藝上便于整體成型和一次成型的優(yōu)點，可減少零件和模具的數(shù)量。目前，采用三維編織復合材料可以制作飛行器、汽車等上的多種不同形狀的承力梁、接頭，多種形式的耐燒蝕、高承受力的圓筒形、錐筒形的制件；還可以在人造生物組織方面發(fā)揮作用，制作人造骨、人造韌帶，以及制作接骨板等。在保證力學性能相同或提高的情況下，大大減輕這些制件的重量，從而使整個飛行器、汽車等的性能得到提高。三維編織材料的性能計算一直是編織材料設計的重要組成成分。
傳統(tǒng)編織材料的分析結構分析流程只能在CAD中創(chuàng)建，導入有限元軟件之中，劃分網(wǎng)格，計算，然后在通過計算后處理手動計算出RVE性能?；疽粋€流程走下來沒有一周的時間是無法完成的。加上反復的迭代，項目完成的時間是無法估計和保證的。那么，如何加快編織復合材料性能計算呢？
展開 Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯(lián)合使用
6.DIGIMAT-MICROSS
DIGIMAT-MICROSS通過微機械材料模型，快速而高效地實現(xiàn)蜂窩夾芯結構的設計。此模塊專為蜂窩結構而設計，可以滿足風機葉片、機翼等夾芯結構的快速設計。
其中MF和FE模塊是我們所關心的，因此在本課程中會對這兩個模塊著重進行講解，
通過對Digimat與ABAQUS的聯(lián)合使用，希望能夠帶大家掌握Digimat前處理建模實例與ABAQUS的計算求解后處理的小尺度下的復合材料分析全流程。本課程暫定分為以下7個章節(jié)：
1.Digimat簡單概述
2.二維混凝土（骨料相+砂漿相+纖維相）
3.三維混凝土（骨料相+砂漿相+纖維相）
4.三維編織復合材料（纖維相+基體相）
5三維細觀復合材料FRP（層內(nèi)纖維取向相同）
6.三維泡沫金屬材料（孔洞+基體相）
7.Abaqus細觀復合材料仿真實例
課程鏈接：
https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c17260
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展開 Samcef在編織碳復合材料上分析方法
為研究編織碳層壓制品的失效特性，在samcef中能夠建立基于連續(xù)損傷力學和非局部的厚度標準模型。這種非局部標準基于一種具有一定厚度的圓柱特征體模型。在samcef中，利用帶洞的圓盤和鋸痕模型進行有限元仿真，并與實驗進行對比，就能夠顯示出samcef在這方面對靜態(tài)載荷分析的有效性。附件提供了碳材料結構直升飛機的案例。
圖一顯示的是基于特征體的非局部標準，圖二為不同鋪層結構的samcef仿真與實驗對比。
[D] Failure of woven C composites non-local method Helicopter_De-Gellas 2007.pdf
展開 FibrePlug插件-用于在ABAQUS中生成二維編織復合材料模型 ￥50
UI界面如圖，詳情見論文：10.1016/j.compstruct.2023.117384，親測好用
NX復合材料算例 編織復材定義+切線+拼接定義
***算例4編織復材定義+切線+拼接定義（Draping a layup on a motorcycle mud guard）
原始文件：Mud_Guard_draping.fem
（路徑：NXLC_Dec2013\NXLCTurorial_exercices\student_home\parts_nastran）
分析類型：前處理
3D模型：擋泥板
算例概述：
首先定義一個全局鋪層，并將其賦予已有網(wǎng)格，將鋪層鋪覆在曲面上（鋪覆求解器：Woven），檢查鋪層之后發(fā)現(xiàn)有不良的鋪層，鋪層撕裂（tearing），鋪層角過大（fiber shearing, exceed lock angle），通過兩種手段，一個是定義cut，還有一個是定義絞接splice，理順鋪層。
操作視頻鏈接：
百度網(wǎng)盤：http://pan.baidu.com/s/1eShUnOQ
優(yōu)酷：http://v.youku.com/v_show/id_XMTYwMjI1NTkyOA==.html?from=y1.7-2
展開 
三維復合材料CT試樣裂紋擴展模擬 ￥20
該材料是碳/環(huán)氧復合材料。復材鋪層為（08,908）S
圖2 模型尺寸
該模型分為3個分區(qū)，分別代表3組層板：08、9016和08。層間的失效未建模。
關于X-FEM：
X-FEM可以與兩種方法結合使用：
-內(nèi)聚區(qū)模型（基于X-FEM的內(nèi)聚行為）
-虛擬裂紋閉合技術（基于X-FEM的LEFM方法）
在本教程中，將使用以上兩種方法?；赬-FEM的內(nèi)聚行為適合于對延性材料的破壞進行模擬（90°層中的基體破壞），而基于LEFM方法的X-FEM適合于對脆性材料的破壞進行模擬（0°層中的纖維破壞）。
2.初始裂紋位置
3.基于材料cohesive行為的XFEM定義（90°層中的基體破壞、延性）
定義屬性：
材料屬性賦予部件（是中間的3個cell）
定義方向：
定義XFEM（中間三個cell）
3.基于線彈性斷裂力學的XFEM定義（0°層中的纖維破壞、脆性）
定義XFEM（前面三個cell）定義XFEM（后面三個cell）
4.控制輸出
5. 修改常規(guī)解決方案控件以改善收斂行為
展開 一種定向排列的三維氮化硼聚合物復合熱界面材料
圖3.初始BN濃度為400 mg/mL, BN/TA質量比為(a)1:0，(b)為1:0.1，(c)為1:15 . 5，(d)1:0.3時，三維BN-TA骨架的橫截面SEM圖像。
圖4.(a) PDMS復合材料的平面導熱系數(shù)，(b)有限元模擬了連接和離散BN-TA/PDMS復合材料的傳熱行為，(c) PDMS復合材料的導熱性，(d)冰模板法制備BN/聚合物復合材料的導熱系數(shù)比較，(e)純PDMS和PDMS復合材料的熱膨脹系數(shù)，(f) PDMS、Random BN-TA/PDMS、3D Random BN-TA/PDMS、3D BN-TA/PDMS熱傳導通道示意圖。
圖5.(a) PDMS、(b) Random BN-TA/PDMS、(c) 3D Random BN-TA/PDMS、(d) 3D BNTA/PDMS熱傳導過程的三維有限元模擬。
圖6.(a) (i)純PDMS， (ii)隨機BN-TA/PDMS， (iii) 3D隨機BN-TA/PDMS， (iv) 3D BN-TA/PDMS復合材料的紅外熱像圖。(b)冷卻時間內(nèi)的表面溫度曲線。
圖7.(a)不同填料加載下原始PDMS和3D BN-TA/PDMS復合材料的應力-應變曲線，(b)不同填料加載下原始PDMS和3D BN-TA/PDMS復合材料的拉應力和彈性模量。
展開 三維編織碳纖維車身結構的開發(fā)技巧
目前，常見的CFRP中空封閉截面結構的預成型方法有拉擠成形法、卷管成形法、纏繞成形法、三維編織成形法等幾類。前三種方法由于工藝條件所限，存在成形結構簡單、制造周期長、產(chǎn)品質量穩(wěn)定性較差等問題，難以滿足汽車大批量生產(chǎn)的要求。而三維編織成型法是一種在芯模表面上直接編織成三維結構的預成形工藝，具有結構設計性好、集成度和成形效率高等優(yōu)點，可實現(xiàn)中空封閉截面結構一體編織成型，適用于中空梁類零部件，如頂蓋橫梁、上邊梁、門檻梁等，并已在寶馬新7系車型中成功量產(chǎn)應用。
由于三維編織一體成形結構設計自由度大，編織工藝復雜，編織參數(shù)繁多，不同的編織參數(shù)和原材料組合都將改變CFRP力學性能。試驗測試方法存在樣片制作和試驗周期長、費用高等問題，而目前三維編織CFRP的仿真分析方法不成熟，材料數(shù)據(jù)庫缺失，也無法采用傳統(tǒng)的層壓板仿真方法對CFRP進程性能分析預測。如何合理的應用仿真技術去指導開發(fā)設計，是三維編織CFRP在汽車上的應用難點和核心技術。
三維編織CFRP細觀力學性能研究
通過三維編織CFRP細觀力學性能研究，掌握三維編織CFRP力學性能預測及優(yōu)化仿真方法。將三維編織CFRP單胞（形成復合材料的服從周期分布的最小重復單元，見圖1）作為研究對象，其基本構成包括四部分：兩個編織方向的編織紗束（玻纖）、軸向紗束（碳纖）以及基體（樹脂）。仿真過程中首先分別對絲束和基體進行解析模擬，然后通過加權算法將各部分的彈性數(shù)值模型進行復合，基于漸進失效準則來預測材料的強度，形成三維編織CFRP細觀力學參數(shù)化解析模型。
基于參數(shù)化解析模型對三維編織CFRP力學性能進行分析，通過材料樣片試驗結果對模型進行修正，以保證模型精度。通過改變原材料參數(shù)和編織參數(shù)，可實現(xiàn)對材料力學性能的預測（見圖2）。
展開 復合材料層合板三維模型見面步驟
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