与传统的三维层压复合材料相比，三维(3D)针刺复合材料具有独特的三维网状结构、良好的层间性能和均匀的结构。3D针刺预制件的生产成本低，生产效率高。针刺工艺有许多针刺参数，如针刺密度、针刺深度等。同时，该工艺具有较强的可设计性，可生产大型、复杂结构的预成形件。三维针刺碳纤维增强酚醛树脂(C/PR)复合材料因其耐高温烧蚀性和优异的尺寸稳定性，在航空航天、热场材料等领域发挥着重要作用。具有斜纹层结构的三维针刺复合材料作为一种新型的三维针刺复合材料，在工程上得到了越来越广泛的应用。与传统的无纺布相比，斜纹布包含经纱和纬纱，斜纹布中的纱线并没有严格地排列成一条直线。斜纹织物的变形能力比无纺布强，针刺后的细观结构更复杂。因此，具有斜纹层结构的三维针刺复合材料适用于复杂的曲面结构，在航空航天领域异型件中得到广泛应用。具有斜纹层结构的三维针刺复合材料具有极其复杂的细观结构，仅通过实验难以揭示纤维挠曲结构对复合材料力学性能的影响。因此，有必要建立一种模拟方法来分析具有斜纹层结构的三维针刺复合材料的内部复杂细观结构并预测其力学性能。
然而，关于斜纹层结构的三维针刺复合材料力学性能的实验研究很少，没有研究揭示复杂细观结构对力学性能的影响。
2023年，复合材料TOP期刊《Composites Science and Technology》发表了北京理工大学在基于虚拟纤维的三维针刺斜纹复合材料力学性能分析新方法方面的研究工作，论文标题为“A novel analysis method for mechanical properties of 3D needled twill composites based on virtual fibers”。
文章通过观察样品的细观结构，划分了三个具有代表性的区域。采用数字网格法对三维针刺斜纹坯料在不同针刺角度和针刺点下的针刺过程进行了数值模拟，建立了针刺区纤维挠度计算公式。采用针刺参数化建模方法，考虑不同针刺角度和针刺点，采用周期单胞法预测三维针刺斜纹复合材料的力学性能。进一步分析了针刺角度和针刺点对三维针刺斜纹复合材料纤维结构和力学性能的影响。
用针板沿指定方向打针，如图1(a)所示。其中针板的周期分布尺寸如图1(b) - (c)所示。针板需与针再次旋转90°，以保证针的分布均匀。重复此步骤，直到预成型达到预定厚度。
图1三维针刺斜纹复合材料的针刺工艺及针刺板结构：(a)斜纹和毛毡层；(b)斜针板；(c)竖针板
该文总结了三个具有代表性的区域，并参考文献建立了相应的RVE，如图2所示。其中RVEA代表无针区，其纤维路径属于包含在斜纹层中的经纱和纬纱。RVEB代表一个单针区域，包括复合材料表面和内部的纤维结构。RVEC代表过针刺区，复合材料被多次针刺，RVEC可以看作是单向增强复合材料。
图2两种类型复合材料的RVEs：(a)类型1；(b)类型2
数字单元模型由虚拟纤维生成，虚拟纤维由数字单元链建模。该文采用梁单元作为数字单元，梁单元的长度选用0.2 mm，梁单元的半径为7 μm。斜纹层和毛毡层大小尺寸在表2中列出,其中每个部分包含417个虚拟纤维，如图3(a)所示。在毛毡层的短切纤维的长度随机选择12 mm至14 mm，和最后的模型被切割成和斜纹层是相同的平面尺寸，如图3(b)所示。预成型件通过铺设斜纹层和毛毡层进行针刺前的准备,如图3(c)-(d)所示。这里需要说明的是，图3(d)中水平铺设、垂直针刺的方法便于后续章节中纤维挠度公式的建立和力学性能的计算。通过在ABAQUS中重新分配力学性能方向，可以计算出两类复合材料的力学性能。
图3数字单元模型：(a)斜纹层；(b)毛毡层；(c)类型1；(d)类型2
在预成形件的实际针刺过程中，针刺会落在斜纹层的不同位置，从而产生不同的纤维挠曲结构。根据斜纹层中针尖与交织点的位置关系，划分不同的情况。对于1型复合材料，由于斜针刺，随着针刺深度的增加，针刺点向x轴负方向偏移。x轴方向的所有针尖点将在不同的斜纹层中穿越。只考虑针尖在y方向上的分布，分为两种情况。例1为针点位于交织区，如图4 (a)所示。例2为针点位于单纬纱区，如图4 (b)所示。对于类型2的复合材料，由于垂直针刺，不同斜纹层的针点相同。因此，除了例1和例2，例3也要考虑。如图4 (e)所示，例3的针尖位于单经纱区域。将图4 (d)的力学性能旋转90°即可得到例3的力学性能。
图4两种复合材料的针刺点：1型的(a)例1；1型的(b)例2；2型的(c)例1；2型的(d)例2，(e)2型的例3
两种复合材料不同针刺点的模拟结果如图5所示。可以发现，两种情况下和两种复合材料的纤维挠曲结构略有不同。
在类型2的例1中，第一层斜纹中大量纤维被切断并引入面外方向，如图(c)所示。在其他斜纹层中，由于相邻毛毡层和针的作用，纤维整体偏转，呈漏斗状，如图(d)-(g)所示。不同斜纹层的纤维挠曲深度不同。
对于类型2的例2，在第一层斜纹织物中，针尖处的纬纤维被挤掉，其余纤维几乎没有变形，如图(b)-(c)所示。在其他斜纹布层中，经纱纤维几乎不被切断，而纬纱纤维则被挤压掉。同时，不同层的挠度深度不同，如图(d)-(g)所示。
图5仿真结果：(a)针刺预成型偏转结构；(b)-(c)第一斜纹层；(d)-(e)第二斜纹层；(f)-(g)第三斜纹层
图6(a)RVEA的Texgen模型；RVEA中的(b)纤维路径；RVEB中的(c)偏转纤维路径
图7RVEA在εx= 0.1%的应力云图：(a) RVEA粗网格；(b) RVEA中网格；(c) RVEA细网格
考虑到计算效率的影响，文中选择中等网格尺寸来计算RVEB的力学性能。仿真结果如图8(a)-(d)所示。可以看出，RVEB和RVEC的面内性能明显低于RVEA。
图8εx= 0.1%下RVB的Mises应力图：(a)1型例1RVEB；(b)1型例2RVEB；(c)2型例1RVEB；(d)2型例2RVEB
对于1型例1，针尖处的经纱在第一层斜纹织物中被挤走，而纬纱则以漏斗状偏转。因此，从图9中可以看出，峰I和峰II分别代表纤维被挤压走和纬纤维开始偏转。在第二层斜纹织物中，随着针刺深度的增加，纤维整体发生变形和偏转。同时，针受到上面毛毡层的阻力，出现峰III。随着针刺过程的进行，第三层斜纹纤维开始偏转，第一层和第二层斜纹纤维的偏转深度持续增加，对应峰值IV。而在情况2中，只有纬度纤维被挤压掉，剩下的纤维几乎没有变形，故而在图9中几乎没有峰值。
在类型2中，由于垂直针刺，不同斜纹层的针刺点总是位于交织区。对于例1，在第一层斜纹织物中，针尖处的经纱被挤掉，对应于图9中的A峰。随着针刺深度的增加，纬纱纤维呈漏斗状偏转，偏转的纤维带动下毡层整体偏转。由于针和上面毛毡层的共同作用，第二斜纹层作为一个整体发生偏转。在这一点上，出现了峰B。峰值C发生在第三层斜纹织物的经纱纤维开始变形并被挤压掉的时候。随着针刺深度的增加，三股斜纹纤维的挠曲深度继续增加，对应于峰值D。然而，在例2中，只有纬纤维在针尖处被挤出，而在第一层斜纹中没有挠曲纤维，没有明显的峰值。在内斜纹层中，纤维在针和上层毛毡层的共同作用下集体偏转。纤维挠曲深度随着针刺深度的增加趋于稳定。图9中的RF逐层增大，并达到最大值。
图9针刺模拟过程的RF-ND曲线
将计算得到的RVEs力学性能代入模型，得到的复合材料力学性能预测值与实验值吻合较好。进一步分析了针刺角度和针刺点对不同斜纹层纤维结构和局部力学性能的影响。结果发现，当针落在表面的非交织区域时，纤维几乎被挤走而不偏转。不同的针刺角度和针刺点导致斜纹层纤维挠曲深度不同，进一步影响纤维在不同方向上的分布。同时，由于相邻斜纹层中纤维挠曲深度的不同，毛毡层中纤维体积分数也会发生变化，从而影响毛毡层和复合材料的局部力学性能。这些研究对三维针刺斜纹复合材料的制备具有一定的指导意义。然而，在计算RVEB的力学性能时，该文简化了斜纹层和毛毡层的区域划分。同时，在纱线区域的划分上，需要考虑纱线更精确的横截面形状。这些问题将在今后的工作中加以研究。
原始文献:
Jianwei Qiao, Jingran Ge, Haoran Wang, Feng Cheng, Mengran Li, Jun Liang, A novel analysis method for mechanical properties of 3D needled twill composites based on virtual fibers, Composites Science and Technology 241 (2023) 110129, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110129.
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353823002221.
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