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摘要：建立了一种宏观有限元模型来模拟双轴织物的成形行为，结合弯曲刚度的影响来预测织物的起皱。对先前为双轴织物材料开发的非正交本构框架进行了拓展，解决了弯曲刚度对纤维取向的依赖性。通过试验测试了双轴无卷曲织物（NCF）的非线性弯曲行为，为材料模型提供了输入数据。模拟重现了NCF材料的偏轴拉伸行为，计算结果与实验数据一致性良好。在低延伸量时，在试样的中心区域内观察到褶皱，影响了预期纯剪切区域剪切角分布的均匀性。 双轴织物复合材料结构批量生产时需要预成型，在液体成型之前将平坦的2D织物转换为复杂的3D形状。由于成形过程中的变形很大，难免会产生织物褶皱形式等显著制造缺陷。先前的研究多认为褶皱由机织物的剪切引起，纱线压实引起的织物局部增厚是褶皱形成的关键因素。因此，多采用基于“剪切锁定角”的运动学模型和薄膜有限元模拟来模拟褶皱，但这些方法都忽略了织物弯曲刚度的影响。新的研究表明，剪切角的大小与织物褶皱的严重程度没有直接关系，织物的弯曲刚度对褶皱的形状和数量更为重要。 该项研究工作的目的是开发一种稳健的模拟工具来预测织物在成形过程中的褶皱。使用Abaqus/Explicit显式求解器提供的复合材料壳单元及现有的宏观材料模型来实现。并将计算结果与织物试验数据进行了比较，验证了模型的可行性。 首先采用悬臂梁试验测定织物的线性/非线性弯曲刚度，如图1所示。  【倒计时8天】第一期“织物成形性能表征与Abaqus成形工艺仿真”培训  图1 标准悬臂试验示意图 实验结果表明，织物正反方向的弯曲刚度不同，且NCF织物的弯曲刚度具有明显的非线性特征，见图2。并使用Voce模型拟合了力矩M和曲率κ之间的关系，见图3。  图2 使用结构光扫描的弯曲刚度表征：（a）扫描的点云（b）中心轮廓拟合  图3 NCF（FCIM359）在正弯曲（蓝色）和负弯曲悬臂试验弯矩与曲率曲线。以及曲线拟合 为了研究面外褶皱的影响，需要高效的建模技术来考虑成型过程中织物的弯曲效应。但传统的建模方法都存在一些问题，细观建模因为需要庞大的计算资源，在工程实际中很难应用，且组分材料的力学特性通常很难通过标准测试方法来表征；基于经典梁/壳理论确定的织物的弯曲刚度通常高于实验值。 该项研究中，作者提出了一种新的方法来解释织物在成形过程中的弯曲行为，使用层合壳方法将面外弯曲行为与平面内拉伸和剪切行为解耦。该方法可直接基于Abaqus/Explicit中的Composite Layup Toolset叠层壳单元实现，每个织物层均由单层壳单元表示。通过调整层厚度和层内的积分点数量实现了面内和弯曲刚度的解耦。每个壳单元（S4R）内定义了三个铺层，其中两个外表面层用于定义弯曲行为，而中间层用于控制面内行为，如图4所示。  图4 双轴织物剪切变形示意图以及薄膜（面内）/弯曲刚度解耦的层压板模型 同时，在计算过程中，考虑了弯矩和曲率的更新。并开发了基于Abaqus/Explicit求解器的VUMAT子程序。并使用用户定义的VEXTERNALB子程序来访问外部数据库，用于在时间增量之间传递更新的单元信息。具体执行流程见图5。  图5 Abaqus VUMAT中非线性弯曲刚度的实现流程图 最后，对织物面内剪切、弯曲、面外褶皱等工况进行了数值分析，并通过数字图像相关法（DIC）和结构光扫描（SWLS）两种方法测得了褶皱试样的表面波纹度。实验数据和模拟数据之间有很好的一致性。见图6-图8。  图6 归一化面内剪切力与剪切角曲线对比    图7 面外褶皱有限元计算/DIC/SWLS三者对比  图8 预测和测量的剪切变形的比较（a）偏压拉伸试验（b）剪切试验。 |
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