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1 引言
紡織復(fù)合材料越來越廣泛應(yīng)用于航天航空[1]、建筑、機(jī)械、汽車、能源、化工等領(lǐng)域，為了提高復(fù)合材料的抗沖擊能力，人們結(jié)合傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝和紡織技術(shù)研究開發(fā)了三維紡織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料，即3D紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，它是將高性能的纖維或紗線利用紡織技術(shù)編織而成三維結(jié)構(gòu)，再經(jīng)樹脂浸漬整理而成的新型復(fù)合材料，這種結(jié)構(gòu)能有效地克服層合復(fù)合材料的各種缺陷[2-5]。在復(fù)合材料厚度方向引入增強(qiáng)纖維，增加復(fù)合材料局部的剪切強(qiáng)度。同時彈體在侵徹復(fù)合材料時由于侵徹方向纖維的存在使復(fù)合材料對彈體動能的吸收有較大增加，兩者共同作用使復(fù)合材料在防止彈速較高時的沖塞破壞、中等彈速時的分層破壞方面的性能有明顯提高，進(jìn)而可以提高防護(hù)等級[6-8]。對于層合復(fù)合材料傳遞沖擊性能及沖擊的破壞機(jī)理已有較多的研究結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)[9]，在預(yù)型件厚度方向引入增強(qiáng)纖維層，用樹脂浸漬形成的復(fù)合材料具有較高的沖擊損傷容限[10]，由此三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在耐沖擊應(yīng)用場合得以大量出現(xiàn)。
目前對三維紡織結(jié)構(gòu)材料的準(zhǔn)靜態(tài)研究有很多報道,S.T.Jeng[11]對玻纖/環(huán)氧四步法1×1三維編織復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能研究。Xue[12]對緯編針織復(fù)合材料的拉伸性能，并得出了織物結(jié)構(gòu)、基體破壞和材料性能之問的相互關(guān)系。Kuo and Lee[13]，Baucom[14]等研究了三維正交機(jī)織物的靜態(tài)力學(xué)性能。本文對兩種同種材料不同結(jié)構(gòu)件的三維紡織復(fù)合材料即：三維正交機(jī)織復(fù)合材料[15,16]、雙軸向緯編針織復(fù)合材料[17]的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹性能和相應(yīng)的損傷破壞進(jìn)行了研究，同時以純鋁靜態(tài)侵徹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)定，分析比較復(fù)合材料各自的侵徹性能和破壞模式，并根據(jù)侵徹破壞包括基體開裂、纖維斷裂、纖維從試件背面抽拔等模式，并把這些破壞模式作為失效準(zhǔn)則用于動態(tài)侵徹的有限元程序[18,19]，終為復(fù)合材料損傷容限設(shè)計提出參考[20]。
2 準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)
2.1 試件制備
2.1.1 三維機(jī)織、編織預(yù)型件
三維正交機(jī)織試樣是由經(jīng)紗、緯紗細(xì)度為1200tex, Z向紗線為600tex的E玻璃纖維，由六層經(jīng)、紗、七層緯紗、Z向紗各成90度上下在空間交織而成，在東華大學(xué)自主研發(fā)的三維正交織機(jī)上完成，織物實(shí)物如圖1。雙軸向緯編針織由紗線細(xì)度為2400tex的E-玻璃纖維,在東華大學(xué)胡紅教授發(fā)明的針織機(jī)上編織而成,織物實(shí)物圖2。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)試樣制備 [-page-]
利用真空輔助成型技術(shù)（VARTM）制造復(fù)合材料，其中樹脂為乙烯基酯樹脂，常溫下黏度為0.45Pa?s，固化劑為甲乙酮，促進(jìn)劑為辛酸鈷,三者的重量配比為100:2:2。并通過后期加工得到實(shí)驗(yàn)試樣規(guī)格為:直徑15cm，厚度7mm的圓板。如圖3、4。對于純鋁材料也加工成相同規(guī)格（圖5）。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法
本次實(shí)驗(yàn)采用東華大學(xué)的MTS-810實(shí)驗(yàn)機(jī)，環(huán)境溫度控制在21℃，侵徹壓桿直徑為14.5mm，長度為20cm，其前端為錐角是90度的圓錐面，實(shí)驗(yàn)中壓桿速度為2mm/min，如圖6為準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)簡圖，圖7為實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)過程中會自動記錄下侵徹過程中的載荷―位移曲線。
3 有限元模擬
3.1 ABAQUS用戶子程序VUMAT
本文使用ABAQUS 6.5-1軟件對兩種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)侵徹有限元模擬，先根據(jù)以下幾點(diǎn)建立各自的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和單胞模型：(1)紗線中單絲是連續(xù)的且相互平行的；(2)樹脂在紗線絲束中分布均勻，纖維得到完全浸潤，纖維與基體結(jié)合完善；(3)纖維和基體均是線彈性體；(4)在復(fù)合材料成型前后，纖維、基體的力學(xué)性能以及針織結(jié)構(gòu)都沒有變化；(5)忽略纖維基體缺陷、裂紋以及孔隙率的影響，也不考慮復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變和環(huán)境的影響。(6)分析模型限于復(fù)合材料受力后產(chǎn)生線彈性變形的情況。綜合考慮以上幾點(diǎn)在ABAQUS CAE中建立實(shí)際模型，各自進(jìn)行有限元模擬。
ABAQUS用戶子程序是有限元模擬的重要組成部分，其作用就是定義材料破壞準(zhǔn)則和對材料受力進(jìn)行應(yīng)力更新，每個時間步里面子程序調(diào)用循環(huán)的次數(shù)決定于未破壞的材料單胞的個數(shù)，可以說子程序和ABAQUS之間是相互作用，子程序不斷把材料的破壞和失效反饋給ABAQUS并進(jìn)行控制。其相互作用和編寫步驟如圖8和9。 [-page-]
3.2 有限元模擬
在ABAQUS CAE中建立模型，由于試件是對稱圓形，所以采用1/2連續(xù)介質(zhì)模型來簡化計算過程。模型中，建立直徑為15cm，厚度是7mm半圓盤，侵徹體也為實(shí)際試樣1/2模型，并加載2mm/min載荷速度，按照實(shí)驗(yàn)時間，確定模擬時間為600s。由于三維正交復(fù)合材料和雙軸向緯編針織復(fù)合材料各自的微觀結(jié)構(gòu)和單胞模型不同，要調(diào)用不同的子程序。網(wǎng)格劃分也是按實(shí)際織物單胞模型劃分，圖10和圖11。完成模擬，提取數(shù)據(jù)得出模擬載荷―位移曲線，算出位移能量曲線，并觀察各自模擬復(fù)合材料破壞模式并與實(shí)際對比。
4 結(jié)果與分析
4.1 位移―載荷曲線
圖12（Al代表純鋁，Weave com代表三維正交機(jī)織復(fù)合材料，Knitting com代表雙軸向緯編針織復(fù)合材料）記錄了三種不同結(jié)構(gòu)材料的位移-載荷曲線，比較準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)曲線，得出其數(shù)值吻合較好。從圖中可以看出，純鋁試樣是典型的彈塑性體，各向同性體，隨著應(yīng)力的增加，應(yīng)變也增加,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到其失效應(yīng)力時，試樣就會破壞失效，圖12中可以看出在位移是32mm附近其屈服應(yīng)力突然下降。
復(fù)合材料抗侵徹能力明顯優(yōu)于純鋁，從圖12中比較兩種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)中異同。
相同點(diǎn)：開始階段當(dāng)侵徹體的鉆頭開始接觸復(fù)合材料時，基體先受力發(fā)生變形，同時基體通過界面將所受的壓力傳遞給纖維增強(qiáng)體，因而此時復(fù)合材料就會作為一個整體承受外界的壓力，復(fù)合材料整體將發(fā)生彎曲變形侵徹阻力隨著侵徹體的位移增加而增大,試樣的撓度也相應(yīng)增大，但還未達(dá)到試樣所能承受的大侵徹力，這一階段曲線呈上升趨勢。隨著侵徹體位移不斷增加,對復(fù)合材料加載的載荷越來越大，會破壞復(fù)合材料基體，復(fù)合材料整體承受載荷能力變小，發(fā)生基體大面積塌陷和損壞，這是圖中可以看到個峰值。與鋁不一樣，鋁是各向同性體，所以只有一次失效，侵徹體位移繼續(xù)增加，由于復(fù)合材料基體開始作用，侵徹體接觸越來越多的增強(qiáng)體纖維和基體，受力纖維增多，纖維開始斷裂，抽拔，基體開裂區(qū)域也增大，同時三維纖維織物中未被破壞的基體和界面仍然起到傳遞受力的作用，此外纖維和纖維增強(qiáng)體的變形也可消耗部分侵徹功，但是由于侵徹體位移增加，復(fù)合材料中基體和纖維會破壞和斷裂，所以總體抗侵徹能力下降，在圖中表線是載荷波動階段。終試樣被穿透，侵徹體桿部穿入試樣，彈孔增加，纖維斷裂抽拔，侵徹阻力下降，圖中表現(xiàn)載荷隨位移增加下降。 [-page-]
不同點(diǎn)：三維正交結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗侵徹能力優(yōu)于雙軸向緯編針織復(fù)合材料，但是破壞過程中其抗侵徹能力幅值變化差異大，沒有針織復(fù)合材料抗侵徹能力穩(wěn)定。
4.2 能量吸收曲線
對載荷―位移曲線進(jìn)行積分得到能量吸收曲線，如圖13，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果基本一致。從圖13可以看出，開始階段侵徹阻力比較小，能量吸收也比較小；隨位移增加，侵徹阻力加大，做功加大，吸收能量增加；終破壞階段，侵徹阻力變小，能量吸收趨于穩(wěn)定。
4.3 破壞模式
純鋁材料塑性變形，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度后終破壞。如圖14、15、16和17、18分別是三維正交和雙軸向針織實(shí)驗(yàn)破壞和模擬破壞圖。兩種復(fù)合材料破壞模式主要是隨侵徹體侵入，試樣正表面主要是以壓縮和剪切為主，也有一定的拉伸破壞；背面基體開裂，纖維大量抽拔；侵徹體附近材料破壞變形大，纖維斷裂抽拔現(xiàn)象比較多，遠(yuǎn)離侵徹體材料破壞變形小。
5 結(jié)語
從實(shí)驗(yàn)過程可得，復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的某些金屬材料，不同種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，其力學(xué)性能也有很大區(qū)別，可以對以后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計提供參考。
運(yùn)用有限元軟件模擬復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，并且模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有和很好的一致性，證明有限元的有效性。同時客觀反應(yīng)了準(zhǔn)靜態(tài)載荷下變形過程和破壞機(jī)理，為有限元軟件在復(fù)合材料設(shè)計運(yùn)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
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