西工大复材顶刊：三轴编织复合材料横向拉伸和压缩破坏行为研究

导读

内容

该研究中的二维三轴编织预制体由一根沿轴向（0°）和两根沿偏向（±60°）排列的纤维束制成，然后采用RTM工艺将环氧树脂灌注，成型为2DTBC，厚度为8层，厚度4.5mm，纤维体积分数为56%，材料性质如表1。

横向方向（长度方向）定义为垂直于纤维轴向方向，利用水切割机把复合板切成图1（a）所示的横向拉伸（TT）试样和横向压缩试样（TC）。如图1（b），试样在Instron8803液压实验机上进行拉伸和压缩实验，采用3D数字图像相关技术测量试样的全场位移和应变分布，应力由阻力除以横截面积计算得到。

碳纤维编织结构和基体区域分开建模生成，在ABAQUS/EXPLICIT中插入用户子程序VUMAT，将Hashin准则和Hou准则用来判断纤维束损伤开始，把Murakami-Ohno损伤理论用来模拟损伤演化过程，基体部分用弹塑性模型，引入内聚单元来模拟纤维束之间和层与层之间的界面特性，界面特性如表2所示，详细介绍可在原文附录中找到。

该文利用软件TexGen建立2DTBC的单胞几何模型，如图2（a）所示，再通过TexGen自动生成八节点六面体 格。拉伸和压缩的位移载荷对称地施加在横向方向上两个相对表面，生成层与层、纤维束之间的内聚单元模型，如图2（b）所示。这里，根据桥接模型和表1中的数据以及确定的体积分数来计算纤维束的刚度和强度。轴向和偏向纤维束的机械性能如表3所示。

图3所示，比较2DTBC在横向拉伸（TT）和压缩（TC）载荷下实验和模拟得到的应力-应变曲线，很好地预测TT和TC应力应变响应，可以观察到初始刚度和损伤引起的非线性行为，实际中纤维的交织起伏导致压缩强度略低于模拟值。由基体开始发生塑性行为、纤维束横向开裂和界面剪切破坏导致2DTBC受到损伤。

为进一步证明模型的准确性和可预测性，需比较在不同应变下正应变和面内剪切应变分布的数值模拟与实验结果，如图4所示。可以看到在自由边界存在显著的周期性应力集中分布，沿着偏向方向传播。整体应变分布依赖于编织结构，中心区域的轴向应变和剪切应变集中在偏向纤维束交叉的位置。通过数值模拟可以观察到在TT条件下，应变集中出现在富含树脂区域，这是由于外部施加的载荷垂直于轴向纤维丝束，由于试样两端缺少连续纤维丝束，载荷主要通过基体和丝束-基体界面传递。

对TC条件下，数值模拟与实验结果的二维应变云图吻合良好，如图5所示。表面应变分布表现出明显的结构相关性。自由边损伤引起剪切应变集中，导致偏向纤维束过早的界面失效，最终导致偏向纤维剪切失效。图6（a）显示，在TT条件下，轴向纤维束起到抵抗裂纹扩展的作用，其中裂纹沿偏向扩展，被轴向纤维束阻止，并进一步沿反向扩展，形成锯齿状的锯齿形断裂面。TC与TT条件类似，沿自由边界的剪切应变集中导致偏向纤维丝束过早脱层失效，并在压缩试样的整个截面上形成类似的锯齿形裂纹扩展模式，如图6（b）所示。

图7是在0.7%横向拉伸应变下的损伤失效云图及断裂形态。基体损伤主要发生在轴向纤维丝束中，而界面损伤发生在偏置丝束的交叉处。没有观察到纤维损伤，层与层之间的界面几乎完好无损，除了自由边界的一些轻微损伤。试件破坏后瞬间，偏向纤维束中观察到纤维损伤，表明偏向纤维束断裂是最终破坏模式，也可以从试件的断裂形貌中看出。图8是在0.7%横向压缩应变下的损伤失效云图及断裂形态基体损伤主要累积在轴向纤维束中，界面损伤在自由边界和偏纤维束的交叉点处出现，没有观察到纤维损伤。初始拉伸和压缩刚度相似，由于纤维微屈曲和基体在压缩过程中占主导作用，压缩曲线表现出更强的非线性。失效后瞬间，基体损伤扩展到偏向纤维束。

小结

通过实验和数值研究，研究2DTBC在面内横向载荷条件下的准静态拉伸和压缩破坏行为，细观有限元法在整体应力-应变曲线和全场应变分布方面与实验结果有较好的吻合性。同时，细观有限元模型预测了纤维束和界面内部损伤演化过程。

原始文献：Zhao Z Q, Liu P, Chen, et al. Modeling the transverse tensile and compressive failure behavior of triaxially braided composites[J]. Composites Science and Technology, 2019, 172: 96-107

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