北理工《CST》:考虑真实细观结构特征的三维机织复合材料参数化建模方法
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三维机织复合材料（3DWCs）细观尺度的模拟精度，与其几何模型的保真度密切相关。该研究提出了一种新的3DWCs参数化建模方法，旨在生成含真实细观结构特征的代表性体积单元（RVE）。首先考虑表面经纱的挤压，定义了3DWCs的真实细观结构。而后考虑纱线截面扭转以及纬纱路径弯曲，建立了截面随路径变化的空间纱束几何。最后通过特定的平移对称性，获得了复合材料RVE的真实几何模型。在此基础上，基于渐进损伤方法分析了不同细观模型和不同纬纱尺寸对复合材料拉伸响应的影响。
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一、引言
近年来，三维编织复合材料 (three-dimensional woven composites；3DWCs) 因其优异的抗分层性能、高损伤容限和强大的设计灵活性，在航空航天领域受到广泛关注。然而，高昂的制造成本限制了其广泛应用。因此，开发高效的性能预测工具以优化设计迭代至关重要。现有的 RVE 建模方法包括图像重建法、数字单元法和参数化方法。图像重建法可以精确描述真实材料的几何特征，但成本高且耗时。数字单元法可以模拟预制体压实和编织过程，但计算复杂且需要大量后期处理。参数化方法具有可扩展性和计算效率高的优点，但通常假设均匀的截面和直线的纬纱路径，难以准确描述复杂的几何特征。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由北京理工大学先进结构技术研究院、轻质多功能复合材料与结构北京重点实验室和爆炸科学与技术国家重点实验室完成的考虑真实细观结构特征的三维机织复合材料参数化建模的研究成果。该研究提出了一种新的参数化建模方法，用于生成含真实细观结构特征的 3D 机织复合材料的代表性体积元 (RVE)，并通过损伤行为分析验证了其有效性。论文标题为“A parametric modeling method for 3D woven composites considering realistic meso-structural characteristics”。
二、 研究内容
通过光学显微镜观察3DWCs的细观结构（图 1），分析了三维机织预制体在成型过程中的变形机理（图 2），确定了3DWCs的真实细观结构特征：被挤入的表面经纱、弯曲的纬纱路径和旋转的纱束截面。
图 2. 三维机织预制体在成型过程中的变形机理：(a,b)设计预制体，(c,d)真实预制体。
基于观察结果，首先定义了三维机织复合材料的真实细观结构（图 3），其次分别采用椭圆曲线和幂次椭圆曲线来描述经纱和纬纱路径，采用椭圆和近似矩形截面来描述纱束截面，从而可建立截面随着路径旋转的纱束几何（图 4）。最后，通过平移对称性构建RVE，并通过TexGen软件自动生成RVE及其体素网格模型（图 5）。
基于上述建模方法，建立了不同纬纱规格复合材料的改进RVE（图6），并通过光学显微镜照片验证（图7），而后采用损伤力学模型，分析了改进模型和理想模型在拉伸载荷下的应力应变曲线，并与实验结果进行了对比。结果表明，改进模型能够更准确地预测复合材料的力学性能，与实验结果的误差明显低于理想模型（图8）。此外，还分析了不同纬纱规格复合材料的拉伸响应（图9）。
图6. 机织复合材料的改进RVE：(a) 24K/24K，(b) 24K/48K，(c) 24K/72K。
三、小结
该研究提供了一种新的参数化建模方法，可以更准确地捕捉 3DWCs 的细观结构特征，从而更真实地模拟其力学行为。此外，研究揭示了纬纱尺寸对复合材料拉伸响应的影响，发现纬纱尺寸越大，复合材料在经向拉伸载荷下的刚度折减越明显，而在纬向拉伸载荷下复合材料的响应更加接近于直线，这为 3DWCs 的设计和性能预测提供了重要的理论基础。
原始文献：
Zhang, B., Ge, J., Li, B., Liu, Z., Liu, S., & Liang, J. (2024). A parametric modeling method for 3D woven composites considering realistic meso-structural characteristics. Composites Science and Technology, 257, 110828.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110828
责任编辑：复小可
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