导读
三维编织复合材料具有良好的结构完整性，但在用RTM浸渍过程中，会不可避免地形成孔隙缺陷，这对复合材料的力学性能有很大影响。进行数值模拟时大多采用RTM之前的几何参数，没有考虑制作过程后的变化。另一方面，考虑孔隙缺陷时，均假设孔隙特征，没有文献关注基于显微计算机断层扫描（Micro-CT）表征的多尺度分析。为此，北京理工大学的Ge Lei（第一作者），Li Hui Min（通讯作者）及其团队在《Composites Science and Technology》上发表了题为“Micro-CT based trans-scale damage analysis of 3D braided composites with pore defects”的文章，该团队在RTM数据的表征基础上，采用渐进损伤模型进行了强度预测和损伤分析。
内容简介
通过四步法编织工艺制备三维编织预制件（T700-12k），然后通过RTM工艺用树脂（MERICAN 30-200P）浸渍，过程如图1所示。用水切割机切成标准尺寸试样，根据ASTMD3039测试标准进行拉伸实验，力由传感器收集，变形由引伸计捕捉，如图2所示。
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图 1 RTM工艺和编织预制件 |
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图 2 测试过程：实验搭建(a)、喷涂斑点(b)和尺寸(c) |
采用纳米Voxel-3000 X射线三维显微镜在60KV，50能级下对复合材料进行扫描。扫描后，用AVIZO9.0软件对纱线和孔隙缺陷进行重构。图3显示三维重构后大小孔隙之间的距离。将阈值算法应用于CT图像，获取纱线特征，由重构的几何模型获得三维编织复合材料的几何参数，用平均值确定为纱线横截面积和角度，如图4（a）所示。纱线内孔隙缺陷在2D图像切片和3D子体积内用红色标记，如图4（b）所示。纱线间和纱线内孔隙含量计算约为1.8%和2.5%。在跨尺度数值模拟的几何模型中，构造的细观和微观孔隙缺陷的孔隙含量将被耦合。
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图 3 纱线间大小孔隙的3D重建 |
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图 4 3D几何重建：四个方向的纱线（a）和纱线内CT切片及孔隙（b） |
为了预测三维编织复合材料的力学行为，需要确定纱线的有效性能，然后将其作为基本材料参数进行传递。对于微观代表性体积单元（RVCs）使用Python脚本构建半径3.5的随机纤维，直至满足纤维含量。用Python脚本随机构造CT数据获得的尺寸和给定含量的孔隙缺陷，缺陷用性能降低99.99%的基体表示，如图5（a）所示。图5（b）为RVCs的四面体单元（C3D4），纤维与基体的界面用零厚度粘聚力单元建模，如图5（c）所示。
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图 5 纱线的RVC模型：几何(a)、单元(b)和零厚度界面(c) |
四个方向的编织纱认为是直的，在挤压过程中会变形。细观RVC拓扑关系及尺寸参数（宽度为w，高度为h，内编织角为），如图6（a）所示，纱线截面为带有内切椭圆的八边形，最后建立三维编织复合材料的受挤压模型，几何关系如下：a、b分别是椭圆的长轴和短轴，L1和L2是八边形长度。
根据CT数据，利用CAD/CAM软件Creo构建内编织角34.5°，宽度2.4mm的受挤压纱线细观RVC模型，并划分四面体单元，如图6所示。根据CT数据结果，用Python脚本对受挤压基体中较大的孔隙缺陷进行建模并划分网格，界面由零厚度的粘聚力单元表示，如图7所示。从CT数据中提取编织纱的不规则形状，建立不规则纱线截面几何模型，如图8所示，与受挤压模型进行比较。
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图 6 细观挤压RVC模型纱线：拓扑关系和截面（a）、几何构型（b）和单元网格（c） |
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图 7 细观挤压RVC模型基体：几何构型（a）、单元网格（b）和零厚度界面（c） |
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图 8 细观不规则RVC模型：几何构型（a）、单元划分（b）、零厚度界面（c） |
纤维和浸渍后纱线是横向各向同性的。采用Hashin准则和最大应力准则来检测纤维和纱线的损伤起始。一般认为基体是各向同性的，最大主应力准则适用于模拟基体的损伤起裂。裂纹带模型用来描述每个失效模式的损伤演化过程。用户自定义子程序UMAT在ABAQUS/STANDARD中实现，模拟纱线和编织复合材料的失效行为，详见原文附录A。
将UMAT子程序应用于微观有限元模型，预测不同载荷下的应力应变响应和损伤行为，如图10所示。界面特性如表一所示。随载荷增加，损伤由界面处开始，沿界面处扩展，然后沿孔隙缺陷处演变。界面强度控制着界面开裂的程度。孔隙缺陷对纱线在不同载荷下的损伤破坏行为具有重要影响。从图10（a）、图（c）、图10（d）可以看出，在纵向拉伸、横向压缩和面内剪切作用下，不同界面特性影响不大。界面性能对横向拉伸和面外剪切下纱线的强度和损伤行为有显著影响，如图10（b）和（e）所示。
表 1 界面力学性能
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图 9 不同载荷下应力-应变曲线及损伤：纵向受拉（a）、横向受拉（b）、压缩（c）、平面内剪切（d）、平面外剪切（e） |
对三维编织复合材料进行拉伸实验，提取宏观应力应变响应，曲线如图12所示。该复合材料为脆性断裂，表面裂纹和试样断裂几乎同时发生，基体开裂、纤维断裂和界面脱粘是主要破坏模式，破坏形态如图11所示。将不同界面特性下的细观尺度模型与实验数据进行对比，计算结果基本吻合。随着构件损伤增加，刚度逐渐退化。当应变超过1.7%时，由于构件质量破坏，曲线迅速下降。不同界面强度下的应力-应变曲线几乎重叠，如图11所示，界面强度的变化对三维编织复合材料的拉伸性能影响不大。图12为三维编织复合材料在纵向拉伸载荷下的损伤形貌，包括纵向损伤（L）和横向损伤（TZ）。
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图 10 通过实验和数值方法得到的应力-应变曲线(a)和试样最终拉伸破坏的观点(b) |
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图 11 三维编织复合材料在纵向拉伸载荷下的损伤演化 |
小结
本文基于Micro-CT的跨尺度损伤分析方法，对含孔隙缺陷的三维编织复合材料孔隙特征和拉伸行为进行了表征。利用Micro-CT扫描技术检测复合材料内部的孔隙缺陷，对其进行重构。基于孔隙数据，建立包括界面在内的跨尺度数值模型。采用渐进损伤模型预测三维编织复合材料的强度和损伤演化，与实验结果基本吻合。
原始文献：Lei G, Li H M, Zhong J H, Zhang C, Fang D N. Micro-CT based trans-scale damage analysis of 3D braided composites with pore defects[J]. Composites Science and Technology, 2021, 211: 108830
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