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　　三维（3D）针刺复合材料具有优异的力学性能，制造成本低、成型效率高，广泛应用于航空航天和军事领域。通过3D针刺技术制备的纤维预制体是3D针刺复合材料的增强骨架，决定了复合材料构件的最终力学性能。利用3D针刺技术可以制备各类具有复杂几何形状的纤维预制体，针刺工艺将铺层织物的部分面内纤维转移到厚度方向，从而显著提高针刺复合材料的层间力学性能。3D针刺纤维结构极其复杂，提出针刺工艺过程的仿线D针刺预制体及其复合材料的纤维级力学分析模型，可以为针刺复合材料的性能评估和数字化设计提供重要理论指导。

　　2024年6月，天津工业大学（TGU）纺织复合材料研究院陈利教授团队，以王晶晶博士为第一作者，谢军波副研究员为通讯作者，在国际TOP期刊《Materials & Design》发表了题为“Quasi-fiber scale modeling of 3D needled composites based on the virtual fiber embedded method”的研究论文。论文针对3D针刺复合材料提出了虚拟纤维嵌入（virtual fiber embedded, VFE）建模方法，分别建立了纤维和基体材料的损伤模型。VFE模型可以预测3D针刺复合材料的损伤演化和破坏过程。VFE模型对3D针刺复合材料力学性能的准确预测评估具有重要意义。

　　建立高保线D针刺复合材料的力学性能分析至关重要。基于虚拟纤维的概念模拟针刺工艺过程，重构了3D针刺预制体的复杂纤维结构。利用计算机断层扫描技术（Micro-CT）观测了针刺预制体样件的微观结构，验证了虚拟纤维结构的准确性。然后将虚拟纤维单元嵌入到代表基体材料的体素单元中，建立了VFE单元。对VFE单元进行了刚度校正，保证了VFE模型刚度性能的合理性。建立了纤维和基体材料的损伤起始准则和损伤演化模型，使VFE模型能够预测3D针刺复合材料的破坏过程。研究了建模精度对计算结果的影响，确定了合适的虚拟纤维直径和体素网格密度。最后采用VFE建模方法对3D针刺复合材料拉伸行为进行了数值仿线 k短切碳纤维为原料，制备非织造预制体。针刺密度为5针/cm2。对预制体进行CT扫描，并进行几何参数统计，以此为基础构造了非织造预制体的微观虚拟纤维模型。对非织造预制体进行针刺过程模拟，并与真实织物进行了对比，发现虚拟纤维结构与真实织物非常接近。

　　将虚拟纤维(T31单元)嵌入到基体单元(voxel网格)中，建立VFE单元。虚拟纤维节点的平移自由度被约束在基体单元节点上。由于虚拟纤维单元所占据区域的基体没有被移除，因此会产生基体体积冗余问题，导致VFE模型的整体刚度存在误差。在VFE模型中，虚拟纤维为2节点杆单元，只有当杆单元中两个节点之间的距离发生变化时，杆单元才会产生节点力。当VFE单元发生横向变形或剪切变形时，VFE单元的刚度与纯基体单元的刚度相同。针对上述问题，提出了一种新的刚度修正方法，以解决VFE单元体纤维积冗余和横向、剪切方向增强效果缺失的问题。以单向纤维增强复合材料模型为例，对刚度修正原理和效果进行了说明。

　　建立了单层织物3D针刺复合材料的VFE模型，研究了虚拟纤维直径和体素网格密度对计算结果的影响。利用不同的虚拟纤维直径和体素网格密度，生成了9个单层VFE模型。研究发现，通过提高建模精度，可以提高3D针刺复合材料拉伸性能的预测精度，但同时计算成本也会显著增加。

　　将包含10层非织造布的3D针刺预制体虚拟纤维结构嵌入到体素网格中。建立了尺寸为25 mm × 25 mm × 2 mm的3D针刺复合材料的VFE模型。

　　随着拉伸载荷的增大，模型中各单元的应力值逐渐升高。当材料某一点满足失效准则时，删除相应的基体单元或虚拟纤维单元，载荷由相邻单元承担载荷。通过这种方法，模拟了裂纹的产生和扩展过程。3D针刺复合材料的拉伸强度预测值为80.89 MPa，与实验结果平均值82.67 MPa非常接近，仿线D针刺复合材料破坏形貌

　　提出了一种新的3D针刺复合材料建模方法。利用虚拟纤维重构了3D针刺预制体的复杂纤维结构。将虚拟纤维嵌入到体素网格中，建立复合材料的纤维级力学分析模型，即VFE模型。提出了VFE单元的刚度修正方法，解决了VFE单元体积冗余和横向、剪切方向上增强效果缺失的问题。建立了虚拟纤维和基体材料的损伤模型，表征了虚拟纤维和基体材料的损伤和破坏过程。实验结果表明，VFE模型可准确模拟3D针刺复合材料在拉伸载荷下的损伤过程，模型预测拉伸强度与实验结果一致。