缝合参数对3D缝合复合材料I型层间断裂行为的影响机理

　　三维缝合技术通过在层间引入缝线可显著提高传统层合复合材料层间性能，且由于缝合技术的低成本与可批量化制备使三维缝合复合材料在许多民用领域具有更为广阔的应用前景。最近十年内，已有多名学者先后研究了缝合材料的拉伸、压缩、剪切、弯曲、冲击、层间断裂等力学性能，然而缝合复合材料中的缝线参数（包括缝线体积分数，细度、行距与针距等）对缝合复合材料力学性能影响较大，不同学者有时对同一参数下的研究甚至得到较大差异的结果。
　　近日，西安工程大学樊威教授团队采用实验和有限元方法系统研究了缝线直径、针距对缝合复合材料I型层间断裂行为影响。
　　文章基于多尺度建模思想建立缝合复合材料宏-细观混合式多尺度有限元模型（图1），详细探讨了针距及缝线直径大小参数对三维缝合复合材料的I型层间断裂性能的影响。
　　图1 多尺度建模流程
　　图2给出了不同针距参数下实验测试和有限元模拟计算结果。实验结果表明当针距增加至超过某一阈值时，针距不能对复合材料的I型层间断裂性能产生显著影响；当前后两根缝线的针距不断变小时，缝线对于层间断裂韧性的影响愈发显著。通过有限元模型中将两根缝线无限接近时，此时的缝线接近于把两根缝线合股，对复合材料的增强效果接近直接增加一倍的缝线直径。
　　图2 不同针距参数下实验和有限元结果
　　图3给出了有限元模拟结果中针距对复合材料I型断裂行为影响的机理图，在针距达到5 mm时，后一根缝线的应力敏感点的应力值仅有前一根的1.47%，7.5 mm和10 mm的百分比仅有0.01%不到。从（e）图中可以清楚的看到当缝线采用不同的针距时，模型中总存在一个明显的应力分布情况。在10 mm针距参数的模型中，后一根缝线的位置远远超出了中平面的夹缝点，所以这根缝线并未发挥明显增强效果。
　　图3 不同针距参数下的有限元模拟的模型应力云图
　　图4给出了直径对复合材料I型断裂性能影响的实验测试和有限元计算结果。当直径不断增加，断裂性能会持续改善，这一点是显而易见的；然而通过计算单根缝线的性能相对提升效率可以发现，随着缝线直径增加，缝线的提升效率其实是下降的，这些参数中1 K的增强是最显著的。因此，通过研究发现，在保证缝线体积含量一致的前提下，使用较细的缝线能够更加有效的提升缝合复合材料的层间性能。
　　图4 不同直径参数下的实验和有限元的测试结果
　　为验证这一猜想，文章还通过拆分单根缝线的方式，探究了提升率是否可以通过缩减单根缝线直径的方式提高。通过对比发现拆分缝线后有些结果是增强的而有些结果又是降低的，该现象可能是由于缝线数量增加会引起于伸直度不均匀而导致性能的下降。为此，本工作进一步探究了缝线在成型过程中受到了模具的预压力后弯曲的情况，发现过大的成型压力（比如RTM和热压罐等工艺）会引起缝线的弯曲，不利于缝线发挥增强作用，从而导致缝合复合材料力学性能的下降。因此，缝线的屈曲度也是影响缝合复合材料力学性能的重要方面。
　　图5 拆分单根缝线的实验和有限元的测试结果以及预压处理的9 K试样测试结果
　　综上所述：
　　（1）针距对复合材料的影响与第一根纱的裂纹扩展长度有关。当针距小于第一根纱的裂纹扩展长度时，第二根纱有利于承受DCB载荷下的张力应力。反之，当针距大于裂纹扩展长度时，断裂性能不受针距间距的影响。
　　（2）较粗的缝线可以显著改善复合材料的I型层间断裂行为。然而，较粗缝线效率的相对提高率小于较细缝线。
　　（3）将较粗的针迹纱线拆分成较细的纱线可以提高复合材料的断裂载荷和断裂韧性。然而，这种改进需要保证缝线在复合材料内部具有较高的伸直度。
　　该工作以＂A Systematic Investigation for Mode-I Fracture Properties of Stitched Composites＂为题发表在力学领域一区TOP期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（IF=6.772）。第一作者为西安工程大学刘涛副教授，共同第一作者为硕士研究生高原，通讯作者为樊威教授。该研究得到国家自然科学基金等项目支持。
　　原始文献：
　　Tao Liu, Yuan Gao, Xingzhong Gao, Ying Yao, Yao Lu, Wei Fan, A systematic investigation for mode-I fracture properties of stitched composites, International Journal of Mechanical Sciences, Volume 241, 2023, 107982.
　　原文链接：
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740322008608
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