1 引言
    紡織復合材料越來越廣泛應用于航天航空^[1]、建筑、機械、汽車、能源、化工等領域，為了提高復合材料的抗沖擊能力，人們結合傳統的復合材料成型工藝和紡織技術研究開發了三維紡織結構增強復合材料，即3D紡織結構復合材料，它是將高性能的纖維或紗線利用紡織技術編織而成三維結構，再經樹脂浸漬整理而成的新型復合材料，這種結構能有效地克服層合復合材料的各種缺陷^[2-5]。在復合材料厚度方向引入增強纖維，增加復合材料局部的剪切強度。同時彈體在侵徹復合材料時由于侵徹方向纖維的存在使復合材料對彈體動能的吸收有較大增加，兩者共同作用使復合材料在防止彈速較高時的沖塞破壞、中等彈速時的分層破壞方面的性能有明顯提高，進而可以提高防護等級^[6-8]。對于層合復合材料傳遞沖擊性能及沖擊的破壞機理已有較多的研究結果，研究發現^[9]，在預型件厚度方向引入增強纖維層，用樹脂浸漬形成的復合材料具有較高的沖擊損傷容限^[10]，由此三維增強結構復合材料在耐沖擊應用場合得以大量出現。
    目前對三維紡織結構材料的準靜態研究有很多報道,S.T.Jeng^[11]對玻纖/環氧四步法1×1三維編織復合材料準靜態侵徹性能研究。Xue^[12]對緯編針織復合材料的拉伸性能，并得出了織物結構、基體破壞和材料性能之問的相互關系。Kuo and Lee^[13]，Baucom^[14]等研究了三維正交機織物的靜態力學性能。本文對兩種同種材料不同結構件的三維紡織復合材料即：三維正交機織復合材料^[15,16]、雙軸向緯編針織復合材料^[17]的準靜態侵徹性能和相應的損傷破壞進行了研究，同時以純鋁靜態侵徹實驗數據為標定，分析比較復合材料各自的侵徹性能和破壞模式，并根據侵徹破壞包括基體開裂、纖維斷裂、纖維從試件背面抽拔等模式，并把這些破壞模式作為失效準則用于動態侵徹的有限元程序^[18,19]，終為復合材料損傷容限設計提出參考^[20]。
2 準靜態實驗
2.1 試件制備
2.1.1 三維機織、編織預型件
    三維正交機織試樣是由經紗、緯紗細度為1200tex, Z向紗線為600tex的E玻璃纖維，由六層經、紗、七層緯紗、Z向紗各成90度上下在空間交織而成，在東華大學自主研發的三維正交織機上完成，織物實物如圖1。雙軸向緯編針織由紗線細度為2400tex的E-玻璃纖維,在東華大學胡紅教授發明的針織機上編織而成,織物實物圖2。

      
2.1.2 實驗試樣制備 [-page-] 
    利用真空輔助成型技術（VARTM）制造復合材料，其中樹脂為乙烯基酯樹脂，常溫下黏度為0.45Pa?s，固化劑為甲乙酮，促進劑為辛酸鈷,三者的重量配比為100:2:2。并通過后期加工得到實驗試樣規格為:直徑15cm，厚度7mm的圓板。如圖3、4。對于純鋁材料也加工成相同規格（圖5）。

2.2 實驗方法
    本次實驗采用東華大學的MTS-810實驗機，環境溫度控制在21℃，侵徹壓桿直徑為14.5mm，長度為20cm，其前端為錐角是90度的圓錐面，實驗中壓桿速度為2mm/min，如圖6為準靜態實驗簡圖，圖7為實驗實物圖。實驗過程中會自動記錄下侵徹過程中的載荷―位移曲線。

3 有限元模擬
3.1 ABAQUS用戶子程序VUMAT
    本文使用ABAQUS 6.5-1軟件對兩種不同結構復合材料進行準靜態侵徹有限元模擬，先根據以下幾點建立各自的細觀結構和單胞模型：(1)紗線中單絲是連續的且相互平行的；(2)樹脂在紗線絲束中分布均勻，纖維得到完全浸潤，纖維與基體結合完善；(3)纖維和基體均是線彈性體；(4)在復合材料成型前后，纖維、基體的力學性能以及針織結構都沒有變化；(5)忽略纖維基體缺陷、裂紋以及孔隙率的影響，也不考慮復合材料中的殘余應力、殘余應變和環境的影響。(6)分析模型限于復合材料受力后產生線彈性變形的情況。綜合考慮以上幾點在ABAQUS CAE中建立實際模型，各自進行有限元模擬。
    ABAQUS用戶子程序是有限元模擬的重要組成部分，其作用就是定義材料破壞準則和對材料受力進行應力更新，每個時間步里面子程序調用循環的次數決定于未破壞的材料單胞的個數，可以說子程序和ABAQUS之間是相互作用，子程序不斷把材料的破壞和失效反饋給ABAQUS并進行控制。其相互作用和編寫步驟如圖8和9。 [-page-]

    
3.2 有限元模擬
    在ABAQUS CAE中建立模型，由于試件是對稱圓形，所以采用1/2連續介質模型來簡化計算過程。模型中，建立直徑為15cm，厚度是7mm半圓盤，侵徹體也為實際試樣1/2模型，并加載2mm/min載荷速度，按照實驗時間，確定模擬時間為600s。由于三維正交復合材料和雙軸向緯編針織復合材料各自的微觀結構和單胞模型不同，要調用不同的子程序。網格劃分也是按實際織物單胞模型劃分，圖10和圖11。完成模擬，提取數據得出模擬載荷―位移曲線，算出位移能量曲線，并觀察各自模擬復合材料破壞模式并與實際對比。

 
4 結果與分析
4.1 位移―載荷曲線
    圖12（Al代表純鋁，Weave com代表三維正交機織復合材料，Knitting com代表雙軸向緯編針織復合材料）記錄了三種不同結構材料的位移-載荷曲線，比較準靜態實驗和模擬實驗曲線，得出其數值吻合較好。從圖中可以看出，純鋁試樣是典型的彈塑性體，各向同性體，隨著應力的增加，應變也增加,當應力達到其失效應力時，試樣就會破壞失效，圖12中可以看出在位移是32mm附近其屈服應力突然下降。

   
    復合材料抗侵徹能力明顯優于純鋁，從圖12中比較兩種不同結構復合材料在實驗中異同。
    相同點：開始階段當侵徹體的鉆頭開始接觸復合材料時，基體先受力發生變形，同時基體通過界面將所受的壓力傳遞給纖維增強體，因而此時復合材料就會作為一個整體承受外界的壓力，復合材料整體將發生彎曲變形侵徹阻力隨著侵徹體的位移增加而增大,試樣的撓度也相應增大，但還未達到試樣所能承受的大侵徹力，這一階段曲線呈上升趨勢。隨著侵徹體位移不斷增加,對復合材料加載的載荷越來越大，會破壞復合材料基體，復合材料整體承受載荷能力變小，發生基體大面積塌陷和損壞，這是圖中可以看到個峰值。與鋁不一樣，鋁是各向同性體，所以只有一次失效，侵徹體位移繼續增加，由于復合材料基體開始作用，侵徹體接觸越來越多的增強體纖維和基體，受力纖維增多，纖維開始斷裂，抽拔，基體開裂區域也增大，同時三維纖維織物中未被破壞的基體和界面仍然起到傳遞受力的作用，此外纖維和纖維增強體的變形也可消耗部分侵徹功，但是由于侵徹體位移增加，復合材料中基體和纖維會破壞和斷裂，所以總體抗侵徹能力下降，在圖中表線是載荷波動階段。終試樣被穿透，侵徹體桿部穿入試樣，彈孔增加，纖維斷裂抽拔，侵徹阻力下降，圖中表現載荷隨位移增加下降。 [-page-] 
    不同點：三維正交結構復合材料抗侵徹能力優于雙軸向緯編針織復合材料，但是破壞過程中其抗侵徹能力幅值變化差異大，沒有針織復合材料抗侵徹能力穩定。
4.2 能量吸收曲線
    對載荷―位移曲線進行積分得到能量吸收曲線，如圖13，實驗結果和模擬結果基本一致。從圖13可以看出，開始階段侵徹阻力比較小，能量吸收也比較小；隨位移增加，侵徹阻力加大，做功加大，吸收能量增加；終破壞階段，侵徹阻力變小，能量吸收趨于穩定。

  
4.3 破壞模式
    純鋁材料塑性變形，當塑性變形達到一定程度后終破壞。如圖14、15、16和17、18分別是三維正交和雙軸向針織實驗破壞和模擬破壞圖。兩種復合材料破壞模式主要是隨侵徹體侵入，試樣正表面主要是以壓縮和剪切為主，也有一定的拉伸破壞；背面基體開裂，纖維大量抽拔；侵徹體附近材料破壞變形大，纖維斷裂抽拔現象比較多，遠離侵徹體材料破壞變形小。

   
5 結語
    從實驗過程可得，復合材料的力學性能優于傳統的某些金屬材料，不同種復合材料結構件，其力學性能也有很大區別，可以對以后的復合材料結構損傷容限設計提供參考。
    運用有限元軟件模擬復合材料的準靜態實驗，并且模擬結果和實驗結果有和很好的一致性，證明有限元的有效性。同時客觀反應了準靜態載荷下變形過程和破壞機理，為有限元軟件在復合材料設計運用提供一定的理論基礎。
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