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导读 三维编织复合材料因其具有良好的结构完整性，在航空航天、造船和民用产品等主要轴承部件中具有广阔的应用前景。这些预制件用纱线缠绕在一起，然后用树脂浸渍形成三维编织复合材料。由于三维编织复合材料结构上的多尺度特性，需要采用合适的技术来确定这种非均匀材料的力学特性。一种通用的方法是通过开发跨尺度的力学模型来实现。多尺度序列方法通过将低尺度性质转移到上一级尺度上来实现，可以有效地评价三维编织复合材料的宏观-介观弹性和强度参数、宏观-介观损伤特征、多尺度优化设计和三维编织复合材料的弹性塑性损伤行为。因此，多尺度建模对于获得编织复合材料的短期力学性能是可靠的，而实现这一目标的关键是在较低的尺度下获得有效的力学性能。 在长期使用中，树脂基复合材料即使在室温下也表现出随时间变化的粘弹性行为。在表征编织复合材料的多尺度粘弹性响应时，优先考虑的是确定编织纱线的有效粘弹性性能，其中只考虑矩阵的粘弹性（更低一级）。对于单向纤维增强复合材料，分析方法大多是利用对应原理开发出来的。Hashin将对应原理与复合材料圆柱体组合模型相结合，从而实现了纤维增强材料的有效松弛和蠕变功能。采用广义胞元法(generalized method of cells，GMC)将代表性单胞(representative unit cell，RUC)划分为一系列子单元，然后施加界面位移和牵引连续性条件。随后，将GMC模型扩展到Li和Zhang的线性粘弹性问题，以及Haj-Ali和Muliana的非线性粘弹性分析。至于数值方法，Naik等人通过采用Prony系列定义粘弹性矩阵来模拟单向复合材料的粘弹性行为。并且，类似地，还评估了纤维堆叠和纤维横截面等几何影响。Wang和Smith对短纤维复合材料的粘弹性蠕变行为进行了参数化研究，包括纤维体积分数、长宽比和填料几何形状。显然，准确获得纱线的有效性能对于更高尺度的力学表征至关重要。 二是预测纺织复合材料的粘弹性性能，其中纱线和基体都有粘弹性性能（上一级尺度）。由于纺织复合材料结构的复杂性，大部分的结果都是通过数值方法得到的。其基础是通过不同的方法，如Maxwell rheological模型、与温度和固化相关的线性粘弹性模型、标准线性粘弹性固体模型、 fractional Zener模型和extended Lomnitz模型和Prony系列等，来确定基体的粘弹性行为。以下是为了表征纺织复合材料的粘弹性特性。编织复合材料的三维粘弹性模拟表明，蠕变顺应性取决于基体的松弛和织物束随时间变化的弯曲变形。同时，一种多尺度均质化方法被提出，并通过蠕变实验进行了验证。对于普通编织复合材料，采用双尺度微观力学模型模拟了松弛行为，并讨论了不同温度下的蠕变响应。对于三维编织复合材料，Cai和Sun采用恒温多尺度模型对其蠕变性能进行了表征，并在等效热系数假设下讨论了热效应对粘弹性行为的影响。Zhai等人利用均质化和多相有限元方法研究了三维编织复合材料的多尺度粘弹性行为。Hofer等人提出了一种基于单胞的升尺度方法来预测编织增强复合材料的多尺度粘弹性性能，并通过实验结果验证了该方法的有效性。如上所述，该数值方法可以很好地获得多尺度几何特征，并有效地证明了纺织复合材料的粘弹性表征。 为了制造三维编织复合材料，预制件用纱线缠绕，然后采用RTM工艺使用树脂渗透。在此过程中不可避免地会形成孔隙缺陷，并对三维编织复合材料的力学性能产生不利影响。徐等人讨论了孔隙体积分数对三维编织复合材料有效弹性性能的影响。此外，Ge和Dong还开发了一种多尺度有限元方法来预测考虑孔隙缺陷的三维编织复合材料的弹性性能。通过适合的损伤模型，研究了空隙缺陷对三维四向、全五向编织复合材料拉伸损伤和冲击压缩行为的影响。Gao等人将Mori-Tanaka方法与渐进损伤理论相结合，对具有孔隙缺陷的三维编织复合材料进行强度和失效分析，包括内孔隙和孔隙率的影响。综上所述，孔隙缺陷对三维编织复合材料的短期力学性能有较大的影响。然而，孔隙缺陷如何影响粘弹性等长期力学性能尚未见报道。 近日，北京理工大学的Ge Lei（第一作者），Li Huimin（通讯作者）及其研究团队，在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Multiscale viscoelastic behavior of 3D braided composites with pore defects”的文章，提出了一种多尺度分析方案来表征具有孔隙缺陷三维编织复合材料的粘弹性性能。在微观尺度上，首先，通过实验确定了基体的粘弹性特性。然后，将有孔隙的基体同质化为等效基体( equivalent matrix，EM)，以确定粘弹性性能的降低。其次，建立了一个基于GMC和均质化理论的半理论模型(semi-theoretical model，STM)，以预测考虑孔隙缺陷的纱线的有效粘弹性性能，并用有限元方法验证了目前的微观力学模型。随后，在介观尺度上，以构件（即纱线和基体）的粘弹性特性为基础数据，进行三维编织复合材料的粘弹性分析。最后，通过应力松弛实验验证了所提出的多尺度粘弹性分析方法的有效性。 内容简介 1 样品制备 三维编织预制件采用四步工艺编织而成，然后采用RTM工艺使用树脂渗透，形成纤维体积含量为50%的复合材料。其中w为宽度，h为高度，α为外编织角。 图 1 (a)编织预制件；(b)带有编织参数的放大视图 2 实验设备和应力松弛实验 图 2 (a)实验设备；(b)树脂样品；(c)编织复合材料 3 带有孔隙缺陷的纱线的理论模型 在编织复合材料的制造过程中不可避免的会产生孔隙缺陷。作者提出了使用GMC均质化方法得到的STM来预测纱线的粘弹性性能，如图3所示。纤维一般大致呈圆形，在纱线中随机分布。在GMC模型中，假设理想的方阵分布和方形纤维截面来求解GMC模型，容易得到解析结果。 图 3 纤维分布、孔隙缺陷及相应的GMC模型 4 带有孔隙的纱线的微观RUC模型 对带孔洞的基体进行均质化，确定EM的粘弹性特性。建立带孔隙基体的RUC为产生孔隙缺陷的立方体。孔隙的位置是随机的，不重叠。还建立了三个具有孔隙缺陷的基体的RUC，并分别标记为RUCM1、RUCM2和RUCM3。这些RUC的不同之处在于孔洞的位置有所不同。这是为了验证该均质化方法在改变空隙分布时的可靠性。 图 4位置和网格划分：(a)球形孔隙缺陷；(b)小孔隙缺陷 编织纱线由随机分布的12K碳纤维组成。半径为3.5μm的纤维由Python脚本随机建模。纤维的生成步骤如下：确定第一根纤维的中心坐标，然后，将随机系数（有范围）乘以纤维的直径得到周围其他纤维的位置。循环重复，直到纤维体积含量满足71%的纱线填充系数。通过引入Python随机模块来生成随机系数。并考虑了其周期性。用上述EM代替纱线中有孔隙的基体。纱线的微观几何模型同样建立了正方形分布和六边形分布。 5 编织复合材料带孔隙的介观尺度RUC模型 编织纱线方向以及纱线的拓扑结构关系如图6所示。纱线相互挤压，三维编织复合材料由截面为带有内切椭圆的八边形的纱线构建而成。 图 6 编织复合材料：(a)纱线的拓扑关系；(b)几何构型；(c)网格划分 6 纱线的微观尺度分析 通过实验收集了环氧树脂的松弛属性，然后用 Levenberg-Marquardt算法拟合了实验曲线。 图 7 环氧树脂在40摄氏度下的松弛模量 图 8 EM在40摄氏度下的松弛模量：(a)弹性模量；(b)剪切模量 对于松弛模量E11，这些不同纤维分布的RUCs的结果有较小的波动。STM预测的曲线介于六边形模型和随机模型与正方形模型重叠区域之间。数值预测值与STM的预测值吻合良好。对于松弛模量E22，随机模型和六边形模型预测的粘弹性结果更接近于STM模型预测的粘弹性结果。 图 9 用数值和理论两种方法计算了纱线的有效松弛模量 7 三维编织复合材料的介观尺度分析 为了得到三维编织复合材料的纵向和横向松弛特性，在0.1s的短时间内，对介观尺度模型施加了0.1%的应变。然后，应变保持不变持续3600秒，随后放松压力。三维编织复合材料的横向和轴向松弛性能如图10所示。BCND-35和BCWD-35的松弛趋势几乎相同，这两种模型之间的差异约为7.6%。这表明孔隙缺陷对编织复合材料纵向粘弹性性能的影响有限。BCWD-26、BCWD-35和BCWD-44的非松弛模量预测值分别为56515MPa、28593MPa和12620MPa，而这三种模型的非松弛模量在同一时间范围内分别松弛了12%、23%和34%，说明编织角对纵向粘弹性性能有显著影响。由此可得，编织角度对三维编织复合材料纵向和横向粘弹性性能的影响不同。这一现象可以解释为，基体的性能是编织复合材料的横向粘弹性行为的优势，但纱线的性能可能在纵向上起主导作用。纱线的非松弛纵向模量比基体高约两个数量级，其粘弹性性能低于基体。但在横向上，纱线的非松弛模量更接近基体，并表现出更明显的粘弹性行为。 图 10 三维编织复合材料：(a)横向松弛模量；(b)纵向松弛模量；(c)不同角度对应的模型 小结 该文提出了一种多尺度粘弹性分析方案来表征考虑孔隙缺陷的三维编织复合材料的粘弹性性能。结果表明，该半理论模型能有效地预测纱线的有效粘弹性性能。随机模型、正方形模型、六边形模型等微观模型对纱线松弛模量的预测存在一定的方差。介观尺度结果表明，BCWD-35的横向粘弹性行为与实验数据吻合较好。这证明了该多尺度粘弹性分析方案的有效性。孔隙缺陷可显著降低三维编织复合材料的横向粘弹性性能，但对其纵向长期性能的影响较小。该文还构造了具有不同编织角度的介观尺度模型，以考虑几何参数的影响。可以看出，随着编织角度的变化，编织复合材料的横向长期性能比纵向性能更稳定。这可能是由于复合材料在横向和纵向方向上的组成作用不同所致。所提出的多尺度粘弹性分析方案可以很好地捕捉具有孔隙缺陷的三维编织复合材料的长期性能。 原始文献：Ge Lei , Li Huimin，Zhang Yuyang,et al.Multiscale viscoelastic behavior of 3D braided composites with pore defects[J].Composites Science and Technology，2021，217：109114. 稿件整理：caixf95 （感谢投稿）  【前沿追踪征稿】助力论文阅读量和引用量的提升 【投稿方式】：有意投稿者请将原始文献发送至管理员（jm19961996微信或zhang5931956，请备注“前沿追踪投稿”）审核，审核通过后可开展稿件整理工作。 【稿费领取】：稿件发布后联系管理员（微信jm19961996）领取稿费，稿费细则见上述征稿启事。 |
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