縫紉是克服傳統層合成板層強度低的有效方法，使復合材料可用于難以避免有沖擊損傷、高剝離應力和剪裁的結構，為復合材料提供了更為廣闊的應用前景。但縫紉也帶來了一些不利因素，如鋪層纖維的面內彎曲及鋪層纖維的斷裂等。因此，縫紉層合板面內性能成為人們的研究重點。

    國內外很多學者對縫紉層合板的面內拉伸性能進行了大量的研究，但是研究結果不夠統一，而有關縫紉含孔板拉伸性能的研究報道相對較少，少量的研究結果表明，當縫紉密度從0.04針/mm2增至0.10針/mm2時縫紉對含孔板的拉伸強度降低幅度從4%增至56%,但是對破壞機理及降低原因并沒有進一步說明,而Mouritz等人的研究表明,縫紉能夠提高含孔板的拉伸強度.
    目前,國內外關于縫紉孔板拉伸性能的研究主要處于少量的實驗階段,缺乏理論分析與計算模型，因此本文作者針對縫紉的T300簾子布/QY9512含孔板拉伸性能進行了實驗研究，并對實驗結果進行了詳細分析，同時還建立了縫紉孔板拉伸強度有限元計算模型。

   1 計算模型
   由于干法縫紉造成的鋪層纖維損傷較小，而Herszberg等人的研究表明，由縫紉造成的鋪層纖維斷裂對層板面內性能的影響非常微弱。這主要是因為在典型的層合復合材料結構中，荷載由斷裂纖維傳遞到周圍0.1mm左右的無損傷纖維，只有當斷裂纖維的下次均間距低于0.5mm時才能造成面內性能的明顯下降，而實際上，縫紉復合材料中斷裂纖維的間距通常在3～10mm之間，斷裂纖維的含量也不超過0.5%。因此本文作者忽略了纖維斷裂的影響，而主要從縫紉帶來的面內纖維彎曲、針腳處的富膠區以及縫線在厚度方向的增強作用三個方面考慮縫紉對孔板拉伸性能的影響。

1．1 單元模型
模型采用三維有限元方法計算縫紉孔板拉伸強度，以空間八節點等參體單元逐層離散層板結構（見圖1|），空間梁單元模擬縫線在顧度方向的增強作用。八節點等參體單元剛度矩陣為

其中：[C]是該鋪層的正軸彈性矩陣，[T]是應力變換矩陣。本文中，由于縫線對面內性能的影響，它是面內坐標（x,y）的函數，下面將對[D]的確定進行詳細地敘述。

對于縫紉帶來的面內性能的變化，本文中采用彈性常數場的方法進行模擬，假設鋪層纖維沿方向按正弦或余弦曲線排列，沿方向均勻排列，針腳區域由基體填充，其彈性常數與基體相同。對縫紉方向與纖維方向垂直為例（見圖2），設縫紉針距、行距和縫線間徑分別為р、q和 r，則纖維在圖1所示的整個面內的波動函數為

其中：ω=p/2,l=q,a=r,M(y/ω)表示對y/ω取余數，n的作用在于判斷單元位于y方向的兩相鄰針腳之間的位置。纖維的某切點與x軸之間的夾角θ則可表示為

由于鋪層纖維在y方向上是均勻排列，則在圖1所示的整個面內纖維的體積含量是x的函數：

建立了纖維彎曲后面內的纖維體積含量函數后，彈性常數E1、E2、G12和и12也就成了坐標x的函數

相應的正軸彈性矩陣[C]就成了平面內坐標的函數，而應力變換矩陣[T]將由式（4）表示的θ（x,y）決定，該矩陣也是面內坐標x、y的函數。

對于其它鋪層與縫紉情況，同樣能找出類似的規律性，本文中所建立的計算模型考慮到了0、90、45、－45°四種鋪層方向分別對應的0、90、45°三種縫紉方向，一共建立了12組單元剛度矩陣計算公式，另外，有限元中坐標原點與針腳的相對位置對相關公式的影響也只是坐標平移的問題，因此終能建立完整的模型。

為了保證本文中有限元計算的精度以及考慮到單元的特殊性，本文中的有限元單元均為逐層劃分，同時為了保證單元各邊尺寸的相似笥，因此網格數量較大，計算量也相應較大。

1．2  損傷判據

本文中采用三維點應力損傷判據判斷單元中纖維和基體的損傷情況，不同的損傷模式對應不同判據，而損傷后相應的彈性常數將會衰減為零。具體損傷判據如下：

 

  纖維斷裂衰減彈性常數E1，基體拉伸或剪切斷裂衰減彈性常數E2、G12、G23，基體壓縮或剪切破壞削減模量E2、G12、G23。以整個截面的斷裂來判斷終破壞。

2  實驗與計算結果分析

   本文中研究的材料為T300簾子布/QY9512，鋪層分為[0/45/0－45/0/45/0]2s和[45/0－45/90]4s。試件示意圖如圖3所示?？p線為芳綸，面線1400旦尼爾，底線400旦尼爾，縫紉針矩×行距為5mm×5mm。

       針對3種不同試件的實驗以及計算結果如表1所示，表中數值均為各強度與無縫紉的實驗結果的比值?？梢钥匆姳疚闹杏嬎憬Y果與實驗結果比較接近（誤差在10%左右），從實驗結果與計算結果中均可以看出；當孔徑較大時，縫紉孔板的拉伸強度較無縫紉孔板略有提高，孔徑較小時縫紉對孔板的拉伸強度無不利影響，隨著縫紉方向的改變，開孔拉伸強度無明顯的規律變化。

       縫紉帶來的纖維面內彎曲，針腳附近的富膠區等影響，使層板的面內性能有所下降，大量數據表明，縫紉層合板的拉伸強度較無縫紉層板有所下降。同樣是面內拉伸性能，為什么縫紉對含孔板的面內拉伸性能沒有不利影響甚至略微有利。本文作者分析認為，先，縫紉帶來的纖維面內彎曲，針腳附近的富膠區等不利影響在孔板拉伸過程中同樣存在，因為孔板拉伸試件的斷口基本上是由孔邊沿著針腳位置（見圖4），這與層板拉伸情況類似，而當針腳整齊地平均分布于孔的兩側時，斷口位于兩排針腳之間。其次，縫紉后當針腳位于孔邊附近時，孔邊的應力集中程度有所下降，這是縫紉對孔板拉伸性能的有利影響。本文中計算了孔板截面沿寬度方向的平均拉應力分布情況，計算結果表明當針腳位于孔邊時，孔邊應力集中程度明顯下降（如圖5（b）），而當針腳遠離孔邊時，縫紉孔板的應力集中程度與無縫紉含孔板非常接近（如圖5(a)），針腳位于孔邊和遠離孔邊這兩種情況下終的拉伸強度無明顯差異。從圖5(a)中還可以看出，當針腳位于孔邊沿線附近時，縫紉含孔板的孔邊應力分布存在明顯的波動性，針腳附近區域的應力相對較低，而其他位置的應力值基本上都高于相應的無縫紉含孔板。

3 結 論    通過與實驗結果的對比，證明了本文中所建立的縫紉含孔板拉伸性能計算模型的有效性，理論與實驗結果表明縫紉對含孔板的拉伸 強度無明顯影響甚至略有提高，而縫紉方向對孔板拉伸強度也沒有明顯的影響。