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三维编织复合材料通过在厚度方向引入纱线，显著改善了层合复合材料易分层的缺点，已广泛应用于航空航天、交通和高科技民用领域。对于主要用作承载结构件复合材料而言，如飞机机翼的加强肋和起落架等，在实际使用过程中，通常承受着复杂的承载情况。这对复合材料面内多个方向的力学性能提出了更高的要求。三维多轴向编织复合材料通过在面内和厚度方向引入多个方向纱线，可以有效地提高复合材料的面内性能和层间性能，吸引了越来越多的关注。
然而，由于碳纤维本身具有硬而脆的特性，以及三维多轴向编织复合材料内部更加复杂的多方向纱线系统会导致在预制件编织过程中产生的纤维断丝率超过10%以上。此外，在复合材料成型和固化过程中，由于层间纱线的挤压和树脂黏流性的影响会不可避免地引入波纹度缺陷和孔隙缺陷。复合材料内部各类缺陷的存在会造成其整体结构扰动和力学性能下降，增加服役过程中的安全隐患。目前，现有研究建立的数值模型往往基于理想结构的复合材料，缺乏以实际制造过程中引入的缺陷为基础而构建的数值模型，而理想模型用来预测三维编织复合材料的力学性能通常会存在较大的误差，为实际设计与生产提供的帮助有限，往往需要大量实验来验证设计的有效性，这不仅增加了设计成本，也延长了设计周期。
为此，西安工程大学樊威教授团队采用实验和有限元相结合的策略研究了三维多轴向编织复合材料在静态压缩载荷下渐进损伤演化和失效机理。基于微观/介观有限元计算框架，系统探究了各类缺陷对复合材料静态压缩性能的影响权重和影响机理。
文章首先通过三维超景深显微系统和CT扫描分析等先进技术手段对复合材料制备过程中引入的各种缺陷进行表征。其次，根据三维编织复合材料实际形态和结构均匀性，参数化建立了复合材料纱线几何模型。通过建立微观/介观有限元计算框架，采用控制单一变量法研究孔隙缺陷、波纹度缺陷和纤维断裂缺陷对三维多轴向编织复合材（3DMBCs）压缩性能影响。同时，通过对比复合材料数值模拟渐进损伤过程与CT扫描断口形态，验证有限元模型有效性。
图1 3DMBCs制备流程及内部缺陷表征图
图1 为3DMBCs的制备工艺流程和内部缺陷表征图。如图1（a）所示，通过樊威教授的专利技术，采用三维五步法编织工艺制备了预制件，内部纱线主要包括0°、90°、±θ°（θ°为42°）和Z方向。此外，使用三维超景深显微系统和CT扫描对复合材料内部缺陷（纤维断裂缺陷、波纹度缺陷和孔隙缺陷）进行了拍摄和表征。
图2 3DMBCs各方向压缩应力-应变曲线和各方向破坏形貌
从图2中可以看出复合材料各方向应力-应变曲线表现出明显的非线性特征。这是由于复合材料内部纱线的微屈曲以及偏离加载方向的纱线也可以继续承载造成的。与沿90°压缩方向的实验结果相比，其他三个方向结果明显不同。这主要归因于三个原因：（1）90°方向承载纱线的纤维断裂和波纹度等缺陷较少；（2）Z向纱线也沿90°方向排列（3）θ°为42°，这导致90°压缩方向上的增强效果高于其他压缩方向。此外，与90°压缩方向相比，复合材料沿0°和θ方向压缩时更早进入塑性阶段，形成塑性平台。除基体开裂和剪切破坏外，复合材料沿0°和θ压缩方向的主要破坏形式为纱线压溃。
图3 3DMBCs的理想RUC参数化建模和含孔隙缺陷RUC建模
基于三维编织复合材料的实际形态和结构均匀性，参数化建立3DMBCs的理想RUC几何模型。首先使用超景深显微镜拍摄不同纱线层中纤维束的横截面积，获得用于构件模型的几何参数，例如纤维束长度、宽度和模型高度。在图像分析中，每层纱线的几何参数值至少选取10幅特征图像。
此外，采用蒙特卡罗方法随机选择树脂基体和纱线/基体界面的“孔隙缺陷”元素，如图3(b)所示。为了产生孔隙缺陷，进行了以下假设:(1)假设纤维束被树脂完全浸渍。(2)空洞缺陷随机存在于树脂和界面上。(3)空洞缺陷是微尺度缺陷，不是由失效固化过程引起的。
图4 含有不同缺陷RUC模型数值模拟结果
图4（a）表明，当空隙缺陷含量从2%增加到15%时，复合材料的弹性模量几乎没有降低。原因是沿压缩方向上的承载纱线主要承受单向载荷，纱线上产生的应力远高于孔隙处的微应力。引入波纹度缺陷后，复合材料的压缩性能明显降低，如图4（b）所示。编织角θ的增加意味着纤维取向逐渐偏离压缩方向，这导致纤维难以继续承载。图4(c)表明，随着纤维断裂缺陷含量的增加，复合材料的压缩性能持续下降。这是因为纤维断裂缺陷区域的纱线不能有效地承受压缩变形。
通过比较不同缺陷类型的数值结果，发现纤维断裂缺陷对3DMBC的压缩性能影响最大。当纤维断裂缺陷为25%时，复合材料的压缩模量下降了40%。7°波纹缺陷会导致压缩模量下降27%。而孔隙缺陷的影响最小。此外，将实测的7°波纹缺陷和25%纤维断裂缺陷加入到计算模型，结果显示数值结果误差在5%以内，表明考虑实际制造过程中缺陷的模型更加可靠和有效。
图5 复合材料渐进损伤过程
图5显示了含有25%纤维断裂缺陷和7°波纹度缺陷的RUC模型在90°方向压缩载荷下纱线、树脂和界面的渐进损伤过程。整个损伤过程分为三个阶段:初始损伤、损伤扩展和最终损伤。以90°纱线和界面为例。当3DMBCs沿90°方向压缩时，平行于压缩方向的纱线主要承受载荷。当应变ε = 0.33%时，如图5①所示，90°纱线分别在1/4和3/4处出现损伤。当应变达到0.55%和0.85%时，界面和树脂依次损坏，如图5⑦和⑩所示。对于界面和树脂而言，主要的损伤区域集中在θ纱线/树脂交织点和Z纱线弯曲部分。这可归因于纱线交织点处的应力集中效应，在该处最有可能发生损坏。
下一阶段是复合材料的损伤扩展。90°纱线继续起主要承载作用，损伤区域扩展到纱线两端，呈现明显的剪切带。这表明90°纱线也受到其余层纱线的剪切作用。随着持续加载，界面的损伤区域不断扩大，但仍能传递应力。当应变为1.75%时，90°纱线出现屈服，如图5③所示。对比CT扫描实验断口形貌，纱线在复合材料的3/4处表现出明显的剪切断裂特征。当总应变增加到2.34%时，如图5 ⑨所示，界面严重破坏，完全脱粘。树脂在应变为2.45%时屈服，并在压缩和剪切应力下表现出明显的剪切破坏。可以看到，界面的失效要早于树脂的失效。
图5表明复合材料的主要失效模式是承载纤维断裂、界面脱粘和树脂开裂。多向纱线的不同承载程度是导致应力-应变曲线非线性结果的主要原因。通过对比复合材料的渐进损伤过程和CT扫描断裂形貌，本文建立的细观模型能够准确地揭示3DMBCs的渐进损伤过程。
该工作以“A novel numerical simulation method for predicting compressive properties of 3D multiaxial braided composites considering various defects”为题发表在期刊《Chinese Journal of Aeronautics》上，第一作者为西安工程大学硕士研究生雷睿心，通讯作者为西安工程大学樊威教授。该研究得到国家自然科学基金项目等项目支持。