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幾種復(fù)合材料織物成形模擬方法的對(duì)比

2023-08-07 23:24 作者:復(fù)合材料力學(xué) 0人讀過(guò) | 我要投稿

在現(xiàn)有的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，雙軸織物具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在許多結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。在成本效益，操作性，穩(wěn)定性、力學(xué)性能及成形性等方面都有一定優(yōu)勢(shì)。二維編織復(fù)合材料通常會(huì)制成各種形狀之后固化/或注膠后固化。在這些工序中，織物成形是控制零件最終質(zhì)量的關(guān)鍵工序。

在織物成形過(guò)程中，材料被迫從二維形狀變形為三維形狀，過(guò)程中需要經(jīng)歷較大的變形。在成形結(jié)束時(shí)，纖維的方向被定格在三維幾何輪廓上。由于工藝和材料性能的限制，材料會(huì)發(fā)生較大的變形，從而產(chǎn)生缺陷。如果不能及早發(fā)現(xiàn)缺陷，它們會(huì)影響固化后的局部材料性能，對(duì)于液體成型工藝來(lái)講，則會(huì)局部影響樹(shù)脂流動(dòng)和織物浸漬，進(jìn)而影響部件整體的結(jié)構(gòu)性能。

因此，在成形之前，通過(guò)數(shù)值分析的方式預(yù)測(cè)織物變形就尤為重要。本文將介紹幾種常見(jiàn)的織物變形預(yù)測(cè)方法。

圖1 |每種建模方法的建模框架和特點(diǎn)

（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)褶皺模型（Kinematic Draping模型，PJN模型）

該方法用具有四個(gè)剛性邊的正方形表示織物網(wǎng)格，在四個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)置無(wú)摩擦鉸鏈點(diǎn)，剛性邊（剛性桿）代表紗線，無(wú)摩擦鉸鏈點(diǎn)代表紗線交叉點(diǎn)。

（2）基于有限元分析的PJN 模型(FEA-PJN模型)

該模型基于經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將剛性桿替換為有限元中的桿單元，該模型可以在有限元環(huán)境下考慮織物與模具之間的相互作用，預(yù)測(cè)結(jié)果相比運(yùn)動(dòng)學(xué)模型更準(zhǔn)確。

（3）HypoDrape模型

該方法同樣基于宏觀有限元分析，采用用戶自定義材料屬性的2D殼單元/膜單元組合模型，可捕捉織物復(fù)合材料在宏觀尺度上的變形響應(yīng)（如拉伸/壓縮、非線性面內(nèi)剪切和平面外彎曲等），計(jì)算成本較低。在成形模擬中，織物的取向需要通過(guò)材料本構(gòu)模型由面內(nèi)剪切變形進(jìn)行局部調(diào)整。預(yù)成型件和工具之間的相互作用以及層間相互作用可通過(guò)商業(yè)有限元軟件(如Abaqus/ Explicit)中的接觸算法實(shí)現(xiàn)。

（4）多絲束模型(MF模型)

最為精細(xì)化的建模方法，介于微觀和細(xì)觀尺度之間，使用多個(gè)1D梁?jiǎn)卧渷?lái)表征每根纖維束。單根紗線中可包含若干由梁?jiǎn)卧溄M成的纖維束。該方法除了可以捕獲織物宏觀的變形之外，還可以捕獲復(fù)雜織物在壓實(shí)和編織過(guò)程中的微尺度幾何變形。其缺點(diǎn)是計(jì)算量極大，通常應(yīng)用于單胞水平。

（5）3DShell模型

一種介觀（細(xì)觀）分析模型，將織物視作多股紗線的交織。每股紗線采用類(lèi)似于真實(shí)物理紗線的幾何（如透鏡狀或橢圓形橫截面）來(lái)構(gòu)造，用結(jié)構(gòu)化的三維殼單元對(duì)每根紗線進(jìn)行離散。介觀（細(xì)觀）尺度模型可以捕捉織物紗線的變形，例如脫粘和紗線局部屈曲或嵌套以及典型的宏觀尺度變形。成形過(guò)程中的織物變形和纖維的重新定向直接由考慮相互接觸作用的交織紗線的運(yùn)動(dòng)來(lái)捕獲。

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圖1是前述幾種數(shù)值模型的建模特點(diǎn)，表1給出了幾種模擬方法在尺度、離散方法、計(jì)算平臺(tái)及建模能力方面的對(duì)比。

表1 |不同建模方法的屬性

表1中的建模能力共包括以下幾個(gè)方面：

a. Draping?織物鋪敷褶皺

b. Tensile properties along the two fibre directions.沿兩個(gè)纖維方向的拉伸性能

c. Shear resistance of the fabric sheet.織物抗剪性能

d. Out-of-plane flexural modulus of the fabric sheet.織物的面外彎曲模量

e. In-plane flexural modulus of the fabric sheet.織物面內(nèi)彎曲模量

f. Transverse compressive modulus of the fabric sheet.織物橫向壓縮模量

g. Integrity/cohesion of the fabric sheet.織物完整性/粘聚力

h. Interaction with tools.與模具的相互作用

圖2是布里斯托大學(xué)復(fù)合材料研究所開(kāi)發(fā)的一種織物多尺度建?？蚣堋?/p>

圖2 | (A):多尺度建模過(guò)程(B):單根紗線在單絲尺度下的MF模型。(C)紗線幾何圖形表示和(D)紗線截面有限元表示。

為了表征不同模型的預(yù)測(cè)能力，選擇了圖3所示的半球形及四面體模具進(jìn)行分析。具體對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)圖4至圖9。計(jì)算效率的對(duì)比見(jiàn)表2。

圖3|不同模具尺寸

圖4 |四面體模具(左)和半球型模具上織物的變形

圖5 |( A)半球形成形和(B)四面體成形的實(shí)驗(yàn)和所有模擬結(jié)果的總體變形。頂部壓邊圈口框和變形織物的邊界輪廓用紅色標(biāo)記，方便比較

圖6 |半球形模具預(yù)測(cè)的成形織物輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較(A)Kinematic Draping model運(yùn)動(dòng)懸垂模型(用黃線標(biāo)記的輪廓)，(B)FEA-PJN模型(用藍(lán)線標(biāo)記的輪廓)，(C)HypoDrape 模型(用藍(lán)線標(biāo)記的輪廓)，(D)MF模型(用黃色標(biāo)記)，以及(E)3D Shell模型(用白色標(biāo)記的孤立紗線)。紅線表示的是試樣變形輪廓(僅顯示了四分之一)。

圖7 |四面體模具中預(yù)測(cè)的成形織物輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。( A)FEA-PJN模型(用藍(lán)線標(biāo)記的輪廓)，(HypoDrape模型(用藍(lán)線標(biāo)記的輪廓)，(C)MF模型(用黃色標(biāo)記)，(D)3DShell模型(用白色標(biāo)記)。紅線表示試樣變形輪廓(只顯示了一半)。

圖8 |在(A)形狀過(guò)渡區(qū)和(B)模具頂點(diǎn)處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、MF模型和3DShell模型計(jì)算結(jié)果的局部變形特寫(xiě)。

通過(guò)綜合對(duì)比分析，運(yùn)動(dòng)褶皺分析（Kinematic Draping）對(duì)于半球結(jié)構(gòu)成形很有效。它可以在幾秒鐘的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)捕獲整體變形和剪切角。隨著模具的幾何復(fù)雜性變得更大，模型精度變得越來(lái)越依賴于初始纖維路徑的選擇?；谟邢拊治龅?strong>FEA-PJN模型盡管使用了與運(yùn)動(dòng)褶皺相同的基本假設(shè)，但允許考慮預(yù)成型件和工具之間的相互作用，預(yù)測(cè)結(jié)果更好一些。HypoDrape模型與其他宏觀模型相比，它們?cè)陬A(yù)測(cè)纖維取向和整體紡織品變形方面是穩(wěn)健的，并且運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有明顯增加。MF模型需要最多的計(jì)算資源，但提供了最好的細(xì)節(jié)分辨率，能夠捕捉紗線間和紗線內(nèi)相互作用產(chǎn)生的缺陷。3DShell模型在大多數(shù)指標(biāo)上表現(xiàn)非常好，但是它的計(jì)算時(shí)間也非常長(zhǎng)。具體見(jiàn)圖9和表2。