《COMPOSITE STRUCTURES》：Bending performance and failure mechanism prediction of 3D angle-interlock woven composites via full-scale finite element modeling
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3D角交错编织复合材料的研究采用参数化全尺度有限元模型，模拟不同纱线密度下的弯曲性能与渐进破坏机制。经纬纱密度对弯曲性能呈现差异化影响：经纱密度增加显著提升弯曲强度（33.52%）和模量（48.67%），而纬纱密度过高导致应力集中，反使性能下降。损伤始于外层经纱并向内扩展，纬纱和基体分别因剪切和压缩失效。研究证实多尺度建模可有效预测宏观力学行为及微观损伤演化。
尹月英|李电森|张一帆|陈莉|姜雷|斯捷潘·V·洛莫夫|弗雷德里克·德斯普伦特雷
教育部生物启发式智能界面科学技术重点实验室，北京航空航天大学化学学院，北京100191，中国
摘要
基于实际纱线结构建立了参数化的全尺寸有限元模型，用于预测不同纱线密度下三维角锁编织复合材料（3DAWCs）的三点弯曲性能和渐进失效过程。仿真结果与实验数据吻合良好，验证了模型的有效性。研究结果表明，纱线密度与3DAWCs的弯曲行为有很强的相关性。弯曲性能与经纱密度呈正相关，而与纬纱密度则先呈正相关后呈负相关。在弯曲过程中，经纱是主要的承重部件。损伤首先发生在外层的经纱上，并沿厚度方向向材料内部传播。纬纱和基体分别承受部分载荷，并因剪切和压缩效应而失效。适当增加纱线密度有助于使应力分布更加均匀，而过高的纬纱密度会导致应力集中，从而降低3DAWCs的弯曲性能。
引言
三维角锁编织复合材料（3DAWCs）具有独特的纱线交联结构，其中纬纱平行排列，经纱上下交织并呈弯曲状排列在纬纱上。这使得3DAWCs能够克服传统二维层间复合材料的缺点，具备良好的层间强度和整体稳定性。3DAWCs在现代航空航天等领域发挥了重要作用[1]、[2]、[3]。
为了优化3DAWCs的性能并推动相关产业的发展，许多学者对其力学性能和失效机制进行了研究：戴等人[4]研究了角锁三维编织碳/环氧复合材料的准静态拉伸性能和疲劳特性，比较了不同纤维结构下的静态力学响应。张等人[5]探讨了应变率对碳纤维增强环氧3DAWCs冲击压缩行为的影响。李等人[6]研究了温度对碳/环氧3DAWCs拉伸疲劳性能和失效模式的影响。刘等人[7]研究了低速冲击下角锁编织复合材料的承载能力和失效机制。刘等人[8]测试了3DAWCs老化前后的准静态拉伸和压缩性能。徐等人[9]分析了热氧化老化对三维角锁编织材料各向异性压缩性能的影响。徐等人[10]优化了3DAWCs的纱线配置，发现轴向冲击性能与经纱比例之间存在非线性关系。然而，关于3DAWCs弯曲力学响应的研究仍然有限：党等人[11]研究了环境温度对3DAWCs弯曲响应和失效机制的影响。刘等人[12]研究了角锁材料及其他编织结构复合材料的弯曲力学响应，并揭示了编织结构对弯曲性能的影响。柴等人[13]探讨了环境温度和开孔行为对三维角锁编织复合材料弯曲性能和失效机制的综合影响，表明温度对力学性能的影响更为显著。
近年来，随着数值仿真的发展，有限元方法成为预测3DAWCs力学性能和渐进损伤的热点研究方向：宋等人[14]开发了结合实验的多尺度预测模型，用于评估角锁材料的准静态拉伸性能和损伤演变机制。李等人[15]基于实际微观结构建立了新的有限元模型，准确模拟了3DAWCs的特殊空间几何形状，反映了局部和全局应力分布，并预测了弹性模量。郑等人[16]构建了“介观”尺度渐进损伤模型，研究了角锁编织复合材料的准静态拉伸行为。陈等人[17]建立了“介观”有限元模型，研究了预变形对3DAWCs刚度和强度的影响。孙等人[18]开发了参数化单元格模型，精确预测了3DAWCs的拉伸性能和渐进损伤行为。尽管这些模型可以预测复合材料的基本力学性能和微观损伤机制，但微观尺度或“介观”尺度模型在模拟整体结构变形、应力分布和集中区域以及宏观损伤方面存在局限性。为了解决这些问题，吴等人[19]建立了“介观”尺度弹塑性模型，研究了角锁材料在拉伸载荷下的损伤过程和机电行为。魏等人[20]开发了具有非线性本构模型的多尺度损伤建模框架，用于预测3DAWCs的冲击力学响应。吴等人[21]采用了宏观-介观混合尺度模型，研究了纬纱分布对3DAWCs低速冲击响应的影响。刘等人[22]建立了全尺寸均匀有限元模型，用于预测低温下三维角锁材料的动态压缩性能。阿纳斯等人[23]、[24]、[25]系统研究了各种材料模型的应用效果，指出FEM-SPH耦合算法在裂纹形态预测方面具有显著优势，并强调了网格尺寸和应变率效应的重要性。奥迪等人[26]基于实验数据校准了3DAWCs的宏观模型，准确预测了偏轴30°材料在循环拉伸载荷下的力学行为。虽然这些模型反映了3DAWCs在渐进损伤过程中的力学分布和损伤演变，但在模拟外部力作用下纱线的独特截面形态、紧密交联和弯曲特性以及角锁结构复合材料的特定损伤演变过程方面仍存在细节缺陷和局限性。
本研究采用多尺度建模方法建立参数化的全尺寸有限元模型，充分考虑了3DAWCs内部纱线之间以及纱线与基体之间的相互作用。该模型再现了经纱和纬纱在厚度方向上的弯曲和挤压变形，能够预测纱线密度变化对3DAWCs三点弯曲性能的影响。它揭示了弯曲过程中的应力分布和渐进损伤过程，并揭示了失效机制。同时，将仿真结果与实验结果进行比较，以验证有限元模型的可行性。
部分摘录
三维角锁编织结构
三维角锁编织预制件由从上下方向交织的纬纱和经纱组成，如图1a和c所示。在3DAWCs内部，纬纱平行排列，经纱以弯曲状排列在纬纱上，形成层间交锁结构。本研究采用的浅层交叉和弯曲连接方式是三维角锁编织结构之一，图1b展示了其结构示意图。
全尺寸有限元模型的建立
由于纱线的特殊性质
经纱密度对3DAWCs弯曲性能的影响
图6a展示了经纱密度分别为2纱/厘米、7纱/厘米和9纱/厘米时3DAWCs的预测载荷-位移曲线。表示纱线直径。可以看出，3DAWCs的载荷-位移曲线通常呈现先上升、达到峰值后下降的趋势。这些曲线可以分为三个阶段：弹性变形、屈服和失效，这与材料从可恢复变形到不可逆损伤的力学响应过程一致。
结论
本文采用参数化的全尺寸有限元分析方法，预测了纱线密度变化对碳纤维增强环氧3DAWCs弯曲性能和失效机制的影响。数值计算结果与实验数据高度一致。
当从7纱/厘米增加到9纱/厘米时，3DAWCs的弯曲强度提高了33.52%，弯曲模量提高了48.67%。增加经纱密度增强了材料的承载能力。
作者贡献声明
尹月英：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。李电森：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源管理、项目协调、方法论、研究、数据分析、概念化。张一帆：可视化、数据分析。陈莉：可视化、数据分析。姜雷：数据分析。斯捷潘·V·洛莫夫：指导、数据分析。弗雷德里克
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号：11872087）、军委科技委项目（编号：2022-JCJQ-JJ-0177）、中国航空科学基金（编号：2022Z057051004）以及北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室开放基金（编号：202301003）和安徽省先进纤维材料工程研究中心的财政支持。
