1 引言
    纺织复合材料越来越广泛应用于航天航空^[1]、建筑、机械、汽车、能源、化工等领域，为了提高复合材料的抗冲击能力，人们结合传统的复合材料成型工艺和纺织技术研究开发了三维纺织结构增强复合材料，即3D纺织结构复合材料，它是将高性能的纤维或纱线利用纺织技术编织而成三维结构，再经树脂浸渍整理而成的新型复合材料，这种结构能有效地克服层合复合材料的各种缺陷^[2-5]。在复合材料厚度方向引入增强纤维，增加复合材料局部的剪切强度。同时弹体在侵彻复合材料时由于侵彻方向纤维的存在使复合材料对弹体动能的吸收有较大增加，两者共同作用使复合材料在防止弹速较高时的冲塞破坏、中等弹速时的分层破坏方面的性能有明显提高，进而可以提高防护等级^[6-8]。对于层合复合材料传递冲击性能及冲击的破坏机理已有较多的研究结果，研究发现^[9]，在预型件厚度方向引入增强纤维层，用树脂浸渍形成的复合材料具有较高的冲击损伤容限^[10]，由此三维增强结构复合材料在耐冲击应用场合得以大量出现。
    目前对三维纺织结构材料的准静态研究有很多报道,S.T.Jeng^[11]对玻纤/环氧四步法1×1三维编织复合材料准静态侵彻性能研究。Xue^[12]对纬编针织复合材料的拉伸性能，并得出了织物结构、基体破坏和材料性能之问的相互关系。Kuo and Lee^[13]，Baucom^[14]等研究了三维正交机织物的静态力学性能。本文对两种同种材料不同结构件的三维纺织复合材料即：三维正交机织复合材料^[15,16]、双轴向纬编针织复合材料^[17]的准静态侵彻性能和相应的损伤破坏进行了研究，同时以纯铝静态侵彻实验数据为标定，分析比较复合材料各自的侵彻性能和破坏模式，并根据侵彻破坏包括基体开裂、纤维断裂、纤维从试件背面抽拔等模式，并把这些破坏模式作为失效准则用于动态侵彻的有限元程序^[18,19]，终为复合材料损伤容限设计提出参考^[20]。
2 准静态实验
2.1 试件制备
2.1.1 三维机织、编织预型件
    三维正交机织试样是由经纱、纬纱细度为1200tex, Z向纱线为600tex的E玻璃纤维，由六层经、纱、七层纬纱、Z向纱各成90度上下在空间交织而成，在东华大学自主研发的三维正交织机上完成，织物实物如图1。双轴向纬编针织由纱线细度为2400tex的E-玻璃纤维,在东华大学胡红教授发明的针织机上编织而成,织物实物图2。

      
2.1.2 实验试样制备 [-page-] 
    利用真空辅助成型技术（VARTM）制造复合材料，其中树脂为乙烯基酯树脂，常温下黏度为0.45Pa・s，固化剂为甲乙酮，促进剂为辛酸钴,三者的重量配比为100:2:2。并通过后期加工得到实验试样规格为:直径15cm，厚度7mm的圆板。如图3、4。对于纯铝材料也加工成相同规格（图5）。

2.2 实验方法
    本次实验采用东华大学的MTS-810实验机，环境温度控制在21℃，侵彻压杆直径为14.5mm，长度为20cm，其前端为锥角是90度的圆锥面，实验中压杆速度为2mm/min，如图6为准静态实验简图，图7为实验实物图。实验过程中会自动记录下侵彻过程中的载荷―位移曲线。

3 有限元模拟
3.1 ABAQUS用户子程序VUMAT
    本文使用ABAQUS 6.5-1软件对两种不同结构复合材料进行准静态侵彻有限元模拟，先根据以下几点建立各自的细观结构和单胞模型：(1)纱线中单丝是连续的且相互平行的；(2)树脂在纱线丝束中分布均匀，纤维得到完全浸润，纤维与基体结合完善；(3)纤维和基体均是线弹性体；(4)在复合材料成型前后，纤维、基体的力学性能以及针织结构都没有变化；(5)忽略纤维基体缺陷、裂纹以及孔隙率的影响，也不考虑复合材料中的残余应力、残余应变和环境的影响。(6)分析模型限于复合材料受力后产生线弹性变形的情况。综合考虑以上几点在ABAQUS CAE中建立实际模型，各自进行有限元模拟。
    ABAQUS用户子程序是有限元模拟的重要组成部分，其作用就是定义材料破坏准则和对材料受力进行应力更新，每个时间步里面子程序调用循环的次数决定于未破坏的材料单胞的个数，可以说子程序和ABAQUS之间是相互作用，子程序不断把材料的破坏和失效反馈给ABAQUS并进行控制。其相互作用和编写步骤如图8和9。 [-page-]

    
3.2 有限元模拟
    在ABAQUS CAE中建立模型，由于试件是对称圆形，所以采用1/2连续介质模型来简化计算过程。模型中，建立直径为15cm，厚度是7mm半圆盘，侵彻体也为实际试样1/2模型，并加载2mm/min载荷速度，按照实验时间，确定模拟时间为600s。由于三维正交复合材料和双轴向纬编针织复合材料各自的微观结构和单胞模型不同，要调用不同的子程序。网格划分也是按实际织物单胞模型划分，图10和图11。完成模拟，提取数据得出模拟载荷―位移曲线，算出位移能量曲线，并观察各自模拟复合材料破坏模式并与实际对比。

 
4 结果与分析
4.1 位移―载荷曲线
    图12（Al代表纯铝，Weave com代表三维正交机织复合材料，Knitting com代表双轴向纬编针织复合材料）记录了三种不同结构材料的位移-载荷曲线，比较准静态实验和模拟实验曲线，得出其数值吻合较好。从图中可以看出，纯铝试样是典型的弹塑性体，各向同性体，随着应力的增加，应变也增加,当应力达到其失效应力时，试样就会破坏失效，图12中可以看出在位移是32mm附近其屈服应力突然下降。

   
    复合材料抗侵彻能力明显优于纯铝，从图12中比较两种不同结构复合材料在实验中异同。
    相同点：开始阶段当侵彻体的钻头开始接触复合材料时，基体先受力发生变形，同时基体通过界面将所受的压力传递给纤维增强体，因而此时复合材料就会作为一个整体承受外界的压力，复合材料整体将发生弯曲变形侵彻阻力随着侵彻体的位移增加而增大,试样的挠度也相应增大，但还未达到试样所能承受的大侵彻力，这一阶段曲线呈上升趋势。随着侵彻体位移不断增加,对复合材料加载的载荷越来越大，会破坏复合材料基体，复合材料整体承受载荷能力变小，发生基体大面积塌陷和损坏，这是图中可以看到个峰值。与铝不一样，铝是各向同性体，所以只有一次失效，侵彻体位移继续增加，由于复合材料基体开始作用，侵彻体接触越来越多的增强体纤维和基体，受力纤维增多，纤维开始断裂，抽拔，基体开裂区域也增大，同时三维纤维织物中未被破坏的基体和界面仍然起到传递受力的作用，此外纤维和纤维增强体的变形也可消耗部分侵彻功，但是由于侵彻体位移增加，复合材料中基体和纤维会破坏和断裂，所以总体抗侵彻能力下降，在图中表线是载荷波动阶段。终试样被穿透，侵彻体杆部穿入试样，弹孔增加，纤维断裂抽拔，侵彻阻力下降，图中表现载荷随位移增加下降。 [-page-] 
    不同点：三维正交结构复合材料抗侵彻能力优于双轴向纬编针织复合材料，但是破坏过程中其抗侵彻能力幅值变化差异大，没有针织复合材料抗侵彻能力稳定。
4.2 能量吸收曲线
    对载荷―位移曲线进行积分得到能量吸收曲线，如图13，实验结果和模拟结果基本一致。从图13可以看出，开始阶段侵彻阻力比较小，能量吸收也比较小；随位移增加，侵彻阻力加大，做功加大，吸收能量增加；终破坏阶段，侵彻阻力变小，能量吸收趋于稳定。

  
4.3 破坏模式
    纯铝材料塑性变形，当塑性变形达到一定程度后终破坏。如图14、15、16和17、18分别是三维正交和双轴向针织实验破坏和模拟破坏图。两种复合材料破坏模式主要是随侵彻体侵入，试样正表面主要是以压缩和剪切为主，也有一定的拉伸破坏；背面基体开裂，纤维大量抽拔；侵彻体附近材料破坏变形大，纤维断裂抽拔现象比较多，远离侵彻体材料破坏变形小。

   
5 结语
    从实验过程可得，复合材料的力学性能优于传统的某些金属材料，不同种复合材料结构件，其力学性能也有很大区别，可以对以后的复合材料结构损伤容限设计提供参考。
    运用有限元软件模拟复合材料的准静态实验，并且模拟结果和实验结果有和很好的一致性，证明有限元的有效性。同时客观反应了准静态载荷下变形过程和破坏机理，为有限元软件在复合材料设计运用提供一定的理论基础。
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