缝纫是克服传统层合成板层强度低的有效方法，使复合材料可用于难以避免有冲击损伤、高剥离应力和剪裁的结构，为复合材料提供了更为广阔的应用前景。但缝纫也带来了一些不利因素，如铺层纤维的面内弯曲及铺层纤维的断裂等。因此，缝纫层合板面内性能成为人们的研究重点。

    国内外很多学者对缝纫层合板的面内拉伸性能进行了大量的研究，但是研究结果不够统一，而有关缝纫含孔板拉伸性能的研究报道相对较少，少量的研究结果表明，当缝纫密度从0.04针/mm2增至0.10针/mm2时缝纫对含孔板的拉伸强度降低幅度从4%增至56%,但是对破坏机理及降低原因并没有进一步说明,而Mouritz等人的研究表明,缝纫能够提高含孔板的拉伸强度.
    目前,国内外关于缝纫孔板拉伸性能的研究主要处于少量的实验阶段,缺乏理论分析与计算模型，因此本文作者针对缝纫的T300帘子布/QY9512含孔板拉伸性能进行了实验研究，并对实验结果进行了详细分析，同时还建立了缝纫孔板拉伸强度有限元计算模型。

   1 计算模型
   由于干法缝纫造成的铺层纤维损伤较小，而Herszberg等人的研究表明，由缝纫造成的铺层纤维断裂对层板面内性能的影响非常微弱。这主要是因为在典型的层合复合材料结构中，荷载由断裂纤维传递到周围0.1mm左右的无损伤纤维，只有当断裂纤维的下次均间距低于0.5mm时才能造成面内性能的明显下降，而实际上，缝纫复合材料中断裂纤维的间距通常在3～10mm之间，断裂纤维的含量也不超过0.5%。因此本文作者忽略了纤维断裂的影响，而主要从缝纫带来的面内纤维弯曲、针脚处的富胶区以及缝线在厚度方向的增强作用三个方面考虑缝纫对孔板拉伸性能的影响。

1．1 单元模型
模型采用三维有限元方法计算缝纫孔板拉伸强度，以空间八节点等参体单元逐层离散层板结构（见图1|），空间梁单元模拟缝线在顾度方向的增强作用。八节点等参体单元刚度矩阵为

其中：[C]是该铺层的正轴弹性矩阵，[T]是应力变换矩阵。本文中，由于缝线对面内性能的影响，它是面内坐标（x,y）的函数，下面将对[D]的确定进行详细地叙述。

对于缝纫带来的面内性能的变化，本文中采用弹性常数场的方法进行模拟，假设铺层纤维沿方向按正弦或余弦曲线排列，沿方向均匀排列，针脚区域由基体填充，其弹性常数与基体相同。对缝纫方向与纤维方向垂直为例（见图2），设缝纫针距、行距和缝线间径分别为р、q和 r，则纤维在图1所示的整个面内的波动函数为

其中：ω=p/2,l=q,a=r,M(y/ω)表示对y/ω取余数，n的作用在于判断单元位于y方向的两相邻针脚之间的位置。纤维的某切点与x轴之间的夹角θ则可表示为

由于铺层纤维在y方向上是均匀排列，则在图1所示的整个面内纤维的体积含量是x的函数：

建立了纤维弯曲后面内的纤维体积含量函数后，弹性常数E1、E2、G12和и12也就成了坐标x的函数

相应的正轴弹性矩阵[C]就成了平面内坐标的函数，而应力变换矩阵[T]将由式（4）表示的θ（x,y）决定，该矩阵也是面内坐标x、y的函数。

对于其它铺层与缝纫情况，同样能找出类似的规律性，本文中所建立的计算模型考虑到了0、90、45、－45°四种铺层方向分别对应的0、90、45°三种缝纫方向，一共建立了12组单元刚度矩阵计算公式，另外，有限元中坐标原点与针脚的相对位置对相关公式的影响也只是坐标平移的问题，因此终能建立完整的模型。

为了保证本文中有限元计算的精度以及考虑到单元的特殊性，本文中的有限元单元均为逐层划分，同时为了保证单元各边尺寸的相似笥，因此网格数量较大，计算量也相应较大。

1．2  损伤判据

本文中采用三维点应力损伤判据判断单元中纤维和基体的损伤情况，不同的损伤模式对应不同判据，而损伤后相应的弹性常数将会衰减为零。具体损伤判据如下：

 

  纤维断裂衰减弹性常数E1，基体拉伸或剪切断裂衰减弹性常数E2、G12、G23，基体压缩或剪切破坏削减模量E2、G12、G23。以整个截面的断裂来判断终破坏。

2  实验与计算结果分析

   本文中研究的材料为T300帘子布/QY9512，铺层分为[0/45/0－45/0/45/0]2s和[45/0－45/90]4s。试件示意图如图3所示。缝线为芳纶，面线1400旦尼尔，底线400旦尼尔，缝纫针矩×行距为5mm×5mm。

       针对3种不同试件的实验以及计算结果如表1所示，表中数值均为各强度与无缝纫的实验结果的比值。可以看见本文中计算结果与实验结果比较接近（误差在10%左右），从实验结果与计算结果中均可以看出；当孔径较大时，缝纫孔板的拉伸强度较无缝纫孔板略有提高，孔径较小时缝纫对孔板的拉伸强度无不利影响，随着缝纫方向的改变，开孔拉伸强度无明显的规律变化。

       缝纫带来的纤维面内弯曲，针脚附近的富胶区等影响，使层板的面内性能有所下降，大量数据表明，缝纫层合板的拉伸强度较无缝纫层板有所下降。同样是面内拉伸性能，为什么缝纫对含孔板的面内拉伸性能没有不利影响甚至略微有利。本文作者分析认为，先，缝纫带来的纤维面内弯曲，针脚附近的富胶区等不利影响在孔板拉伸过程中同样存在，因为孔板拉伸试件的断口基本上是由孔边沿着针脚位置（见图4），这与层板拉伸情况类似，而当针脚整齐地平均分布于孔的两侧时，断口位于两排针脚之间。其次，缝纫后当针脚位于孔边附近时，孔边的应力集中程度有所下降，这是缝纫对孔板拉伸性能的有利影响。本文中计算了孔板截面沿宽度方向的平均拉应力分布情况，计算结果表明当针脚位于孔边时，孔边应力集中程度明显下降（如图5（b）），而当针脚远离孔边时，缝纫孔板的应力集中程度与无缝纫含孔板非常接近（如图5(a)），针脚位于孔边和远离孔边这两种情况下终的拉伸强度无明显差异。从图5(a)中还可以看出，当针脚位于孔边沿线附近时，缝纫含孔板的孔边应力分布存在明显的波动性，针脚附近区域的应力相对较低，而其他位置的应力值基本上都高于相应的无缝纫含孔板。

3 结 论    通过与实验结果的对比，证明了本文中所建立的缝纫含孔板拉伸性能计算模型的有效性，理论与实验结果表明缝纫对含孔板的拉伸 强度无明显影响甚至略有提高，而缝纫方向对孔板拉伸强度也没有明显的影响。