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纤维织物成型是复合材料树脂传递模塑成型中的关键工艺过程之一。织物的多尺度特性（微观纤维-细观纤维束-宏观织物）使其在复杂形状成型中的变形机理十分复杂，极易产生缺陷，致使工艺参数的合理控制极具挑战。此外，在实际成型过程中，织物会按一定纤维方向多层堆叠，以满足特定力学性能需求，然而上下层织物在成型过程中不同的变形模式会诱发层间相互作用，层间相互作用对织物变形有显著影响，进一步复杂了织物变形机理。因此，研究多层织物在复杂形状成型中的层间相互作用对变形行为以及缺陷生成的影响，对建立织物成型缺陷抑制策略，提高复合材料力学性能有重要意义。
2023年，力学期刊《International Journal of Solids and Structures》发表了多层NCF织物在复杂形状成型中变形机理和缺陷抑制策略的研究工作，论文标题为“Preforming characteristics and defect mitigation strategies for multi-layered biaxial pillar-stitched non-crimp fabric”，第一作者为湘潭大学梅鸣讲师，通讯作者为湖南大学韦凯副教授。
论文基于万能试验机搭载半球成型模具开展了不同铺层方向的单、多层NCF织物半球成型实验。表征并讨论了NCF织物因不同变形行为诱发的成型缺陷。对比分析了单、多层NCF织物成型缺陷的差异，结合成型力和层间相互作用的定量表征，揭示了层间相互作用对成型缺陷的影响机理。进一步，基于缺陷生成机理，提出了压边块增重和织物几何尺寸优化的缺陷抑制方法，能有效抑制多层NCF织物成型过程中不同层织物的成型缺陷。
论文首先表征了单层NCF织物在半球中的成型缺陷，讨论揭示了缺陷的形成机理如图1和2所示。双轴向NCF织物因缝合线与纤维呈45度方向，在沿着缝合线和垂直于缝合线方向，诱发了不对称的剪切变形行为，分别为正剪切变形和负剪切变形。正剪切变形阻抗大，容易产生宏观褶皱缺陷。负剪切变形阻抗小，剪切程度大，容易诱发细观褶皱缺陷。而沿着纤维方向发生拉伸变形，因纤维应变以及与模具相互作用，产生了面外和面内纤维屈曲缺陷。
图1 单层NCF织物半球成型中各位置成型缺陷
图2 NCF织物半球成型中各位置成型缺陷生成机理示意图
然后，如图3所示，通过表征多层NCF织物成型的层间相互作用，发现同向铺层层间依然存在层间相互作用，且成型程度增大，层间相互作用增大。此外，异向铺层层间相互作用更为明显。因此，表征发现多层织物成型缺陷较单层织物成型缺陷更为明显，尤其对于异向铺层织物，成型缺陷更加严重如图4所示。
图3 (a)同向和(b)异向铺层NCF织物层间相对滑移量
图4 多层异向铺层NCF织物半球成型各位置成型缺陷
最后，基于缺陷生成机理，论文首先采用了压边环增重策略，来增大成型张力，抑制剪切起皱缺陷，结果发现因剪切变形产生的宏观和细观褶皱缺陷得到了有效抑制如图5(a)-(c)和(a')-(c')所示。然而，压边环增重同时提高了织物拉伸变形区域的成型张力，这进一步加剧了纤维面内屈曲缺陷。
图5 不同测试条件下单层NCF织物半球成型各位置成型缺陷比较。(a)-(c) 1kg压边环。(a')-(c') 7kg压边环.(a'')-(c'') 7kg压边环增重和织物尺寸优化。
压边块是通过模具和织物间摩擦力来施加织物张力，因此减少压边块与织物接触面积可以减少织物张力。如图5 (a'')-(c'')所示，论文提出了织物尺寸优化策略，对拉伸变形区域进行织物尺寸优化，发现在不影响剪切区域褶皱抑制效果的同时，可以消除压边块增重给拉伸区域带来的负面效果。这对于多层织物成型意义重大，因为对于异向铺层的多层织物成型，同一成型位置，不同层织物变形模式不同，这意味着压边块增重在抑制某层织物褶皱缺陷的同时，会诱发其他层织物拉伸区域的纤维屈曲缺陷。通过开展压边块增重和织物尺寸优化下的多层织物半球成型实验，发现两种方法结合可以有效抑制不同层织物的因剪切和拉伸引起的各类成型缺陷如图6所示。
图6 不同测试条件下多层NCF织物半球成型各位置成型缺陷比较。(a)-(c) 1kg压边环。(a')-(c') 7kg压边环.(a'')-(c'') 7kg压边环增重和织物尺寸优化。
NCF织物成型过程中不同变形模式会诱发各类成型缺陷，且多层织物成型过程中层间相互作用对成型缺陷有明显影响。压边块增重和织物尺寸优化协同策略可以有效抑制多层织物成型过程中不同层织物的褶皱和纤维屈曲缺陷。
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