为了实现“双碳”战略目标，汽车行业的节能环保成为了关注焦点。汽车轻量化可以有效降低汽车的能源消耗，保护自然资源环境，因此受到国内外汽车行业的广泛关注。纤维增强树脂基复合材料具有高比强度和高比刚度等优异特性，被广泛应用于汽车领域以实现汽车轻量化。然而，复合材料增强体(纤维织物)的多尺度特性使其在复杂形状的车身零部件成型中变形机制十分复杂，极易产生成型缺陷，削弱成型后的复合材料力学性能。因此，表征纤维织物变形特性，揭示织物变形机制，是准确预测织物复杂形状成型，指导织物成型工艺参数合理设计的重要基础。
近期，湘潭大学在《复合材料学报》发表了题为“纤维增强复合材料自动化成型中织物变形研究进展”的综述论文，文章对近年来纤维织物在各类变形和复杂形状成型特性上的研究进展进行了梳理，介绍了纤维织物各类变形和复杂形状成型特性的研究方法以及研究热点。湘潭大学机械工程与力学学院讲师梅鸣为第一作者，湖南大学机械与运载工程学院韦凯副教授为通讯作者。
1.1 压缩变形实验
复合材料的纤维体积分数含量与其力学性能息息相关，故成型过程中会将织物沿厚度方向压缩至特定纤维体积分数。压缩过程会发生织物层间嵌套，纤维束弯曲和扁平等变形行为，这些变形行为不可避免地影响最终复合材料的纤维体积分数和纤维在复合材料内部的结构形态。因此，大量国内外学者利用万能试验机开展了织物压缩实验及理论研究，以探究织物压缩过程中的变形机制。
压缩过程中(a)织物嵌套、(b)纤维束弯曲和扁平变形
利用万能试验机开展织物压缩变形实验是最常见的方法。根据实际织物成型工艺，织物压缩过程可分为压缩、保持和回弹三个阶段。在压缩阶段，织物在一定压缩应力下压至一定纤维体积分数。由于织物变形为粘弹性变形，当压力释放后，织物会发生回弹，纤维体积分数减少。因此，为了减少织物回弹，提高织物永久变形量，压缩阶段后会进入保持阶段。保持阶段若维持压头位置不变，织物内部应力发生松弛，故也称为松弛阶段。若保持阶段维持压头应力不变，织物厚度会逐渐减少，故也称为蠕变阶段。保持阶段结束后，抬起压头进入回弹阶段。
(a) 压缩变形实验装置。压缩实验过程：(b) 压缩-松弛-回弹和(c)压缩-蠕变-回弹
1.2 内部结构表征
尽管已经开展了大量压缩变形实验，但是压缩实验中如层间嵌套、纤维束弯曲和扁平等织物内部结构的实时演化规律表征仍是一项难题。目前，大多研究通过将压缩后的织物进行固化处理，然后再对固化后的织物进行光学拍照或CT扫描，来表征压缩至不同程度时织物的内部结构。
织物压缩变形后内部结构表征：(a) 横截面光学表征和(b)内部结构CT扫描重构
然而，这种方式仅能对某一压缩状态下的织物内部结构进行表征，无法对同一织物样本内部结构连续演化进行表征。因此部分学者如Sakkalatty Dharmalingam等人基于光谱共焦扫描仪开发了一套压缩实验装置，可以连续测量压缩过程中的纤维束的演化。另外，Alahmed等人利用原位CT研究了碳纤维预浸料的压缩蠕变过程。
织物压缩变形过程中内部结构表征：(a)光谱共焦扫描和(b)原位CT
1.3 粘弹性理论模型
由于织物的多尺度特性，织物内部纤维丝间和纤维束间存在空隙，因而织物可以视为多孔材料。通过实验研究发现，织物在压缩变形中，其应力、应变随时间呈现出明显的粘弹性行为。因此常用弹簧和粘壶组成的模型如Maxwell模型来表征织物压缩变形时的粘弹性行为。例如，Somashekar等人将一个弹簧与两个Maxwell单元并联较好地预测了四种不同结构织物在松弛阶段的应力随时间变化。然而在多种织物结构和工艺参数共同影响下，粘弹性模型难以区分织物结构和工艺参数各自的影响程度。
织物压缩变形粘弹性理论模型示意图
2.1 剪切变形实验
织物的剪切变形，即相互垂直纤维束间夹角的减少，是允许其能够完成汽车行业中常见的双曲面结构成型的关键变形模式。另外，剪切变形也与织物常见的褶皱缺陷息息相关，故有大量学者研究揭示织物剪切变形机制，及剪切变形与褶皱缺陷的关联关系。目前，织物剪切变形主要通过两种实验方式开展研究，分别是相框剪切和偏轴拉伸实验。
织物剪切变形实验示意图：(a)相框剪切和(b)偏轴拉伸
上述两种实验方法都有其相应的优缺点。在相框剪切实验中，织物四边被夹板固定在框架的连杆上，故相框剪切实验理论上能给织物提供均匀的剪切变形。然而，夹板夹紧织物时极易给纤维束赋予一定张力，从而导致剪切结果测量不准确。此外，由于传统夹板边界的纤维束没有支撑点，夹板边界的纤维束在剪切变形中会局部弯曲，从而影响中心织物剪切变形量。目前研究表明夹持端采用针刺夹具使剪切变形时纤维束能自由的绕针旋转，进而有效避免了局部弯曲现象。偏轴拉伸实验操作相对方便，实验装置简单。然而，区域C的纯剪切变形需假定纤维束不可伸长且纤维束间没有相对滑移，但是，由于区域C纤维束两端自由，大剪切变形容易诱发纤维束的层内滑移，影响实际的剪切变形行为。因此，建立标准化剪切力方法十分重要。
相框剪切实验中边界夹持方式：(a)传统夹板，(b)和(c)针刺夹具
2.2 宏细观剪切变形特性
目前大部分研究集中于开展不同结构织物剪切变形实验，研究不同结构织物的剪切力曲线、剪切锁止角等宏观剪切变形特性。其中，织物标准化剪切力-剪切角响应可以作为织物复杂形状成型模拟的关键输入参数，剪切锁止角是判定织物褶皱生成的关键因素之一。由于织物具有多尺度特性（宏观织物、细观纤维束、微观纤维丝），其宏观剪切响应与细观结构演化规律息息相关。例如，根据剪切力-剪切角曲线，平纹机织织物剪切变形可分为三个阶段，首先是垂直细观纤维束间相互旋转，纤维束间间隙消失，然后是平行纤维束间的侧向挤压，纤维束内间隙减少，此时剪切力较小。最后，纤维束内间隙消失，平行纤维束间进一步挤压，此时剪切力急剧上升，极易发生褶皱。对于±45°双轴向无屈曲织物，因其细观缝合线的存在，其剪切变形可以分为正剪切和负剪切变形。正剪切变形中缝合线受拉，阻碍剪切变形，所需剪切力较大，极易产生宏观面外褶皱。负剪切变形中缝合线受压，剪切力较小。对于单轴向无屈曲织物，剪切变形中一根缝合线受拉而另一缝合线受压，且应变演化呈现出三个阶段，与宏观剪切力-剪切角曲线阶段恰好对应。
不同结构织物细观剪切变形机制示意图：(a)平纹机织织物、(b)±45°双轴向无屈曲织物和(c)单轴向无屈曲织物
2.3 工艺参数影响
剪切变形特性对工艺参数十分敏感。在实际工程应用中，常利用压边块或张力单元给织物施加成型张力，抑制剪切引起的褶皱缺陷。因此，为了揭示张力对织物剪切变形特性的影响机制，部分学者在传统剪切夹具的基础上开发设计了新型夹具。研究结果表明张力能显著提高剪切刚度，抑制褶皱的萌生。此外，在热固性复合材料的预成型过程中，Zhao等人发现定型剂在纤维束间和交织点形成粘连结构，显著提高了织物剪切阻抗。另外，由于热塑性复合材料热压成型过程中，热塑性基体在高温下熔融成具有一定黏度的液体。热固性复合材料湿法模压过程中织物在一定黏度的树脂环境下发生变形。因此部分学者开展了液体黏度对织物剪切行为的影响研究，树脂黏度越低，织物的剪切力越小。而且，织物在具有一定黏度液体环境中剪切变形时，变形速率越大，织物剪切阻抗越大。
可调织物张力的新型剪切特性测试夹具
3.1 弯曲变形实验
尽管褶皱缺陷与剪切变形息息相关，但是褶皱缺陷本质是织物的面外变形，故褶皱缺陷势必与织物的面外弯曲性能有密切的关联。目前，Peirce悬臂梁法是最常用的织物的弯曲刚度测试方法。由于织物弯曲时，纤维间不断发生滑移，导致织物的弯曲刚度很小。但是在成型模拟中考虑弯曲刚度后，织物的褶皱缺陷的确发生了明显的变化。Boisse等人发现考虑弯曲刚度后，模拟结果中褶皱缺陷数量少，但尺寸更大。事实上，很多织物的弯曲刚度具有非线性特性，因此Bilbao等人提出了一种基于光学辅助的悬臂梁方法，通过相机捕捉不同悬臂长度下织物的悬垂状态，建立织物的弯矩-曲率曲线来表征其弯曲刚度。除此之外，为了研究加载速率和循环加载对织物弯曲刚度的影响，可以采用Kawabata弯曲测试方法。对于厚度和弯曲刚度较大的织物，例如三维机织织物，可以直接采用三点弯测试方法表征织物的弯曲特性。
(a)Peirce悬臂梁法示意图。(b)弯曲刚度对织物成型模拟时的褶皱缺陷差异的影响。(c)基于光学测量的悬臂梁方法
3.2 工艺参数影响
织物弯曲刚度同样受到自身结构和工艺参数影响。对于上下表面存在细观结构差异的织物，其弯曲刚度与弯曲方向有关。Yu等人对双轴向无屈曲织物开展了Peirce悬臂梁实验，发现其不同弯曲方向的弯曲刚度不同。而且在7.1°和41.5°下测量的弯曲刚度不一样，表明双轴向无屈曲织物弯曲刚度是非线性的，应该利用基于光学辅助的悬臂梁法建立弯矩-曲率曲线来评估其弯曲性能。
不同测试方法下的双轴向无屈曲织物正负弯曲特性：(a) Peirce悬臂梁法和(b) 基于光学辅助的悬臂梁法
在热塑性复合材料热压成型工艺中，树脂在高温下熔融形成液态成型环境。热固性复合材料的湿法模压工艺中，织物表面浸湿树脂后再完成成型。此时，织物弯曲变形在具有一定黏度的树脂中发生，故树脂黏度不可避免对织物弯曲刚度产生影响。例如， Alshahrani等人开展了不同温度下热塑性预浸料的弯曲实验，发现随着温度升高，预浸料弯曲刚度减少，直至热塑性树脂弯曲融化，刚度保持不变。另外，随着加载速率提高，织物弯曲刚度增大。
(a)温度和(b)加载速率对织物弯曲特性的影响
4.1 滑移变形实验
织物成型过程中在底模和压边块之间滑移，滑移产生的摩擦力恰好作为织物张力控制纤维分布方向，减少成型缺陷，提高成型质量。织物的纤维束间相互交织，具有一定结构稳定性，当滑移时织物所受摩擦力大于纤维束交织间的内聚力时，织物结构被破坏，导致最终复合材料结构件纤维分布不均匀，降低力学性能。另外，在多层织物成型过程中，不同层织物的铺层方向和成型半径有所差异，不可避免诱发织物与织物间的相对滑移。而且，织物特殊的细观结构导致织物与织物间的摩擦特性比织物与模具间的滑移特性更加复杂，显著影响织物变形行为，并极易诱发成型缺陷。因此，为了实现织物成型精确模拟，提高织物成型质量，揭示织物与模具、织物与织物间的滑移特性至关重要。目前，织物滑移特性研究没有特定的研究标准，有水平式、垂直式等各种形式的滑移特性测试装置。Sachs等人利用7个不同实验室的滑移测试装置对玻纤聚丙烯混合纱织物在金属表面的滑移特性进行表征。研究结果表明增大摩擦表面能有效减少边界效应，提高滑移特性表征的准确性。
摩擦测试装置示意图
4.2 工艺参数影响
工艺参数对织物滑移特性的影响也是学者的关注焦点。Allaoui等人发现机织织物层间铺层角增加可以减少层间摩擦力。Nosrat Nezami等人研究了压力、铺层方向和织物剪切角对滑移特性的影响，发现过大的层间摩擦力会导致纤维畸变以及增大纤维间隙。而剪切变形后的织物结构更为紧密，能够承受更大的层间摩擦力。另外，对于热塑性复合材料热压工艺和热固性复合材料的湿法模压工艺，由于成型过程中织物被液态的树脂包裹，因此滑移特性实验需在湿态环境下进行。Yu等人发现湿态环境下织物间的摩擦系数较干织物间摩擦系数减少63%。而且，树脂在重物压力下会从织物中挤出，改变织物间的润湿层，进而影响织物层间滑移特性。织物层间相互作用是织物成型模拟中的重要参数，因此织物滑移特性研究对多层织物成型的精确模拟有重要意义。但是成型过程中织物不断发生剪切等变形，其结构连续变化，导致织物层间滑移特性相应改变，因此准确定义多层织物成型中的层间相互作用具有一定挑战
5.1 复杂形状成型实验
除了织物的变形行为，探究织物在复杂形状中的成型行为，如各位置变形、缺陷生成等，评估织物完成复杂形状成型同时不产生缺陷的能力，也是国内外学者的研究重点。学者们通常选用半球、双圆顶、方盒和四面体等形状研究织物的成型行为。其中，由于半球形状具有双曲面特点，可以诱发大剪切变形，而且半球形状相对简单，易于揭示织物成型机制，被广泛地应用于织物的成型行为研究，甚至成为了研究织物复杂形状成型特性的基准。
5.2 工艺参数影响
织物在半球成型过程中，由于多种变形相互耦合，且易受工艺参数影响，织物极易发生褶皱、纤维束屈曲、纤维束阻塞等缺陷。其中，褶皱指织物发生宏观的非期望的面外变形，常常与织物剪切和弯曲等因素有关。纤维束屈曲指纤维束发生面外的翻转，通常与该位置的纤维束的张力和弯曲程度有关。Salem等人通过自制的实验设备和Rayleigh-Ritz解析方法研究了纤维束屈曲缺陷的生成机制，并确定了纤维束屈曲缺陷生成的临界曲率半径。纤维束阻塞指纤维束堆积在一起，通常因为织物内聚力被破坏引起。Labanieh等人通过解析建模的方法分析了工艺参数对纤维张力以及接触应力的影响，并证明纤维张力和接触应力与纤维束阻塞缺陷有强烈的关联。此外，对于不同结构的织物，其迥异的变形行为对成型行为会产生显著影响。
织物各类成型缺陷：(a)褶皱、(b)纤维束屈曲和(c)纤维束阻塞
5.3 多层织物成型及缺陷抑制方法
目前大多数织物成型特性实验研究对象多集中于单层织物，关于多层织物的成型研究相对较少。然而，在实际应用中，单层织物不能满足复合材料力学性能，往往是多层织物堆叠在一起完成成型，故研究多层织物的成型行为对复合材料成型有重要意义。除了上述单层织物成型过程中可能遇到的挑战，多层织物成型时织物层间发生相对滑移，层间作用十分复杂，影响复杂成型中织物的变形行为，从而诱发缺陷生成，给成型工艺参数设计带来了更大的挑战。例如，Guzman-Maldonado等人在半球成型中发现多层异向铺层的织物成型时会发生层间相对滑移，层间摩擦会诱发褶皱缺陷生成，且层间摩擦越大，褶皱缺陷越明显。Nosrat Nezami等人通过开展半球和回旋镖成型实验，发现层间织物铺层角相差越大，成型缺陷越明显，且缺陷多发生在未发生剪切变形的织物层。目前，众多学者认为多层织物成型中诱发成型缺陷最关键的因素是层间相互作用，故削弱多层织物成型时的层间相互作用是工艺参数设计的目标。
层间摩擦系数提高显著加剧多层织物成型的褶皱缺陷
研究织物变形以及复杂形状成型特性是建立缺陷抑制方法，合理设计工艺参数，生产高质量的复杂形状复合材料结构件的基础。目前，大部分缺陷抑制方法的基本原理是基于变形和缺陷间的关联规律，设计工艺参数，调控织物在复杂形状中的变形特性，从而达到缺陷抑制的效果。其中，最常见的方法是给织物施加成型张力，改变织物的滑移和剪切等变形行为，进而抑制缺陷。织物的成型张力一般通过压边块或者张力单元施加。根据不同的织物结构和成型几何形状，可以优化压边块的重量、形状、位置、张力单元的弹性模量、位置等参数，调控织物不同位置的成型张力，进而达到最佳的缺陷抑制效果。例如，Capelle等人在分块压边的基础上优化了压边块形状，较好的抑制了褶皱缺陷的同时避免了纤维束屈曲缺陷。Rashidi等人利用3D打印技术制备了圆锥压边环，较好的抑制了多种成型缺陷。Chen等人通过有限元模拟优化织物成型时弹簧单元的位置和弹性模量，调控织物变形，抑制成型缺陷。此外，还有部分学者通过对织物的缺陷生成高风险区域进行缝合、簇绒、树脂修补等方式改变局部织物的变形行为，进而抑制成型缺陷。
成型张力施加方法：(a)压边块分块及形状优化、(b) 3D打印圆锥压边环和(c)弹簧单元优化
然而，目前大多数成型缺陷抑制方法均针对单层织物成型，对于多层织物成型的缺陷抑制方法较少。由前文可知，多层织物成型过程中，层间相互作用加剧了缺陷生成，因此削弱层间相互作用是多层织物成型中缺陷抑制方法的主要目标。Shanwan等人开展了多种工艺参数下的多层织物成型实验，发现通过在织物层间插入玻璃纤维垫减少层间相互作用，可以有效抑制多层织物成型中的缺陷。Nosrat Nezami等人在底模表面的每层织物间加入金属板，而且金属板上安装高频振动元件，可以在成型过程中局部减少织物与金属板间的摩擦，进而抑制多层织物成型缺陷。显然，上述多层织物成型缺陷抑制方法的提出均基于层间相互作用会诱发缺陷生成的研究结果，因此进一步开展层间相互作用对缺陷生成的影响机制研究有助于建立更加有效、且适用于工业大规模应用的缺陷抑制方法。
(a)织物层间插入玻璃纤维毡有效消除成型缺陷。(b)织物层间插入安装有高频振动元件的金属板的概念图
5.4 织物复杂形状成型模拟
基于上述实验及机制研究，在织物实际成型前，根据实际工艺条件和成型需求，需开展织物成型模拟，进而指导织物实际成型中的工艺参数设计。因此，如何实现织物成型精确模拟受到国内外学者的广泛关注。Bussetta和Correia等人对连续纤维织物的成型模拟进行了详细的综述。目前研究方法主要可分为两大类。一类是基于几何映射原理的运动学方法。该方法假设织物仅发生剪切变形，忽略了织物的本构行为，因此模拟所需的计算时间很短。然而，由于没有考虑层间滑移和边界条件，运动学方法仅限于单层织物成型，且无法考虑如压边块施加张力等工艺条件的影响。而且，由于未考虑织物的本构行为，织物成型过程中如褶皱等缺陷无法预测。
另一类方法是考虑材料行为和工艺条件的材料本构建模方法，可以预测织物的成型缺陷，主要分为离散元方法和连续方法。在离散元方法中，织物的纤维或纤维束被直观地进行建模，因此该方法能够反映织物材料的非均匀性。然而，由于大量的纤维和纤维束单元，以及成型中的相互作用，所需的计算成本非常高。对于车身复合材料结构件成型模拟，计算效率是十分重要的。因此，大量学者研究了各种基于次弹性、超弹性材料理论的连续方法来高效率地模拟织物的成型过程。连续方法中织物被认为是连续介质材料，其力学性能主要通过实验的方式获取。尽管目前对于机织物等常规织物的成型模拟已经相对成熟，但是对于市面上常用的单轴向、多轴向无屈曲织物成型的精准模拟仍需进一步研究。
原始文献
梅鸣, 周珺晗, 韦凯. 纤维增强复合材料自动化成型中织物变形研究进展[J]. 复合材料学报, 2022, 40(0): 1-18