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发布时间: 2024-07-25 06:28:25 来源:bifa必发唯一官网主页 作者:bifa必发·唯一中国官方网站
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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。
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