三维编织复合材料因内部存在由连续纤维束形成的空间网状结构，相比于传统层合复合材料具有更高的层间强度，相比于金属材料具有更高的抗冲击损伤和抗裂纹扩展能力。详细介绍了三维编织复合材料的细观几何建模方法，综述了三维编织复合材料动态拉伸、压缩性能，动态失效准则以及高速冲击性能等方面的研究进展，指出三维编织复合材料在细观几何建模和动态拉伸试验方面的未来研究方向。

1 三维编织复合材料特点

传统的层合复合材料相比三维编织复合材料具有完整、不分层的结构，可以制作异型，高功能构件。

三维编织复合材料是从20世纪80年代发展起来的，其诞生的原因主要是为了克服传统复合材料受力后易分层的问题。三维编织复合材料是利用编织技术，把经向、纬向及法向的纤维束（或纱线）编织成一个整体，即为预成型结构件（简称“预制体”），然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而形成的复合材料结构。由于增强纤维在三维空间多向分布，阻止或减缓了冲击载荷作用下复合材料层间裂纹的扩展，使得复合材料性能大大提升。

三维编织复合材料大多采用液体成型工艺进行浸胶固化，直接形成复合材料结构件，如树脂传递模塑工艺（RTM）、树脂膜渗透工艺（RFI）及真空辅助树脂渗透工艺（VARI）等。三维编制复合材料技术主要是用制作一些复杂飞机构件。例如洛克希德·马丁公司采用三维编织技术研制了F-35战斗机进气道的预制体，加强筋与进气道壳体为整体结构，节省了大量紧固件的使用，提高了气动性能，简化了装配工序。

耐冲击性能好的三维编织复合材料可用于车辆的冲击部件以及抗冲击需求高的集装箱或压力容器件。对于开孔较多的复合材料制件，三维编织技术能很好的保证此类制件的整体性，减少二次加工量，从而避免二次加工对复合材料零件的损伤。

2 细观几何模型

材料几何模型的合理性是保证后续理论和数值分析准确度的一个重要因素。与结构简单的层合结构复合材料、二维机织或编织复合材料和三维机织复合材料相比，三维编织复合材料中预制体的空间结构复杂，而力学性能与预制体结构关系密切，因此首先需要确定三维编织复合材料内部预制体的空间位置控制点坐标，再通过合适的软件建立细观结构模型。目前主要采用两种方法建立三维编织复合材料的细观结构几何模型：(1) 由于预制体的结构由编织工艺决定，早期研究一般先根据编织工艺假设内部纤维束的空间位置，然后采用工业计算机断层(CT)扫描或X射线技术对内部纤维束的分布和走向进行观察，建立具有代表性的复合材料局部结构几何模型。该模型只能反映三维编织复合材料的典型特征，主要用于编织结构弹性模量、传热性能和疲劳性能的预测。(2) 根据三维编织工艺参数，采用编程方法模拟编织的整个过程，获取纤维束运动轨迹的空间坐标点，把所有坐标点导入到计算机辅助设计(CAD)软件中进行整体三维编织结构的三维可视化实体建模。

基于上述两种建模方法，研究者基于三维编织复合材料结构在空间上呈周期性的特点以及试验观察到的三维编织复合材料内部结构，假设编织纤维束横截面为规则形状，拟合编织纤维束的空间方向，划分不同的分析区域，提出了包含三维编织复合材料主要结构特征的代表性体积单元(RVE)模型；利用该RVE模型开展了三维编织复合材料刚度、强度和疲劳性能的研究，并将研究结果扩展，用扩展后的结果代表整个结构的力学性能。

3 动态力学性能

根据联邦航空条例和《航空发动机适航规定》，航空发动机的风扇叶片需具备一定的抗外物损伤能力。在实际服役过程中，风扇叶片受外物撞击的时间很短，应变速率较高，惯性力较大，因此需考虑应变速率和惯性力对材料力学性能的影响，从而提高三维编织复合材料动态力学性能的预测准确性。

3.1

动态拉伸和压缩性能

三维编织复合材料作为一种多相结构材料，整体的动态力学性能与各组分材料的力学性能密切相关，因此试验过程主要研究组分材料(纤维束和树脂)和整体结构的力学性能。目前关于三维编织复合材料动态力学性能试样的制备还没有相应的标准，研究者基于金属动态力学性能试样的设计标准，考虑实际加工难度以及加工损伤对力学性能的影响，将编织类复合材料的动态压缩和动态拉伸试样设计为长方体，并且动态力学性能试样要保证包含一定数量的单胞(至少3个单胞)以确保试验结果具有代表性。SUN等和GU等采用尺寸分别为10.2mm×8.3mm×3.6mm和10.4mm×8.9mm×5.6mm的三维四向编织复合材料试样进行了面内和面外动态压缩试验。LI等采用尺寸为13.5mm×10mm×10mm的三维四向编织复合材料试样进行了纵向和横向动态压缩试验。WAN等和ZHANG等均采用尺寸为9mm×9mm×9mm的正方体试样研究了三维四向编织复合材料的动态力学性能。LIU等采用尺寸分别为8mm×6.6mm×6.6mm、8mm×8.7mm×8.7mm、8mm×10.8mm×10.8mm、8mm×12.9mm×12.9mm和8mm×15mm×15mm的试样研究了横截面尺寸对三维编织复合材料弹性模量和压缩强度的影响。

TANG等研究了三维编织碳纤维复合材料在不同应变速率下的压缩断裂特征，发现断裂模式与应变速率有关，裂纹萌生于边界处的纤维束周围，并在纤维束之间的树脂区域扩展，最后在纤维束卷曲处断裂。GU等和SUN等对三维编织复合材料进行了应变速率为800——3500s-1的面内和面外动态压缩试验，发现复合材料的压缩刚度、失效应力和失效应变均与应变速率有关。LI等对三维五向编织碳纤维复合材料进行了应变速率为350——1600s-1的压缩试验，发现初始阶段的动态应力-应变曲线呈现正相关；压缩过程中复合材料的冲击韧性随应变速率的增加而增强。ZHU等对玄武岩纤维束进行了准静态拉伸和动态拉伸试验，准静态拉伸的应变速率为0.001s-1，动态拉伸的应变速率为600——3000s-1，结果表明随着应变速率增大，玄武岩纤维束的刚度和失效应力明显增大，失效应变减小，且其失效强度符合Weibull分布。GAN等对三维编织玻璃纤维复合材料进行了准静态和动态单轴拉伸试验，发现三维编织复合材料的拉伸弹性模量、失效强度和失效应变对应变速率较敏感；随着应变速率增大，复合材料从韧性断裂向脆性断裂转变。DANIEL等对层合复合材料进行了压缩试验，建立了应变速率对复合材料横向模量、剪切模量和压缩强度影响的函数模型。ZHANG等对三维编织复合材料进行了准静态和应变速率分别为800，1500，2000s-1的动态纵向和横向压缩试验，结果表明材料在纵向和横向上的压缩性能均对应变速率敏感，弹性模量和压缩强度均随应变速率的增大而增大；纵向压缩的弹性模量和失效强度较准静态压缩的分别提高了125%——478%和61%——179%。谭柱华等研究了三维编织碳纤维增强环氧树脂复合材料在准静态和动态压缩载荷下的力学性能，得到了应变速率为900——1500s-1的应力-应变曲线，发现高应变速率下复合材料的压缩强度和弹性模量相对于准静态下的均明显增大，且以剪切破坏失效为主。李冰柯等对三维四向和三维五向编织复合材料进行了横向冲击试验，利用高速摄影记录了冲击变形和损伤扩展情况，研究了细观结构对材料横向冲击变形行为的影响。黄雄等、TAN等、CUI等分别开展了不同编织角和应变速率的三维四向和三维五向编织复合材料的动态压缩试验，发现编织角和应变速率会明显影响复合材料的弹性模量和失效强度，且复合材料的破坏模式与编织角有关。

上述研究表明，应变速率会明显影响三维编织复合材料的力学性能，高应变速率下复合材料的力学性能较准静态下的增强，因此需对高应变速率下的力学性能进行合理修正。动态拉伸试验由于需要可靠的手段连接试验件和动态拉伸杆，且三维编织复合材料的拉伸性能比其压缩性能高得多，因此对试验设备和信号采集的要求极高，目前公开报道的三维编织复合材料的动态力学性能主要为动态压缩性能，动态拉伸性能仍需探索。

3.2

动态失效准则

材料的本构模型包括应力-应变关系、初始失效准则和失效后的材料性能演变。一般认为材料失效是内部结构损伤累积的过程，在研究材料从初始损伤到完全失效的过程中，需要对材料的力学性能进行合理折减。目前，三维编织复合材料专用的失效准则还没有建立，研究者们一般把三维编织复合材料简化成纵向、横向和厚度方向的层合复合材料组合结构，将3个方向的应变速率对力学性能的影响引入静态本构模型进行修正，将修正后的模型作为复合材料的动态本构模型，并采用现有的层合复合材料的失效准则作为失效判据。

CHUNG等和RYOU等以玻璃纤维增强复合材料为研究对象，提出了考虑黏弹性的三点弯曲试验的塑性本构模型，描述了复合材料的非线性各向异性力学行为。WAN等建立了考虑应变速率效应的三维编织复合材料多尺度有限元模型，采用该模型模拟了压缩性能，模型中树脂采用J2各向同性硬化塑性本构模型，应变速率效应利用Cowper-Symonds指数函数表示，纤维束服从各向异性的Hill塑性失效准则。ZHANG等采用ABAQUS软件建立了高应变速率的三维编织复合材料细观有限元模型，树脂采用考虑应变速率效应的弹塑性本构模型，塑性硬化服从J2各向同性硬化理论，纤维束采用不同应变速率下的横观各向同性本构关系并使用Hill各向异性塑性破坏准则。NOBEEN 等对纤维束和基体分别采用Hashin和Stassi失效准则，利用ABAQUS软件建立了编织角分别为15°，25°，35°和40°的编织复合材料的细观代表性单胞(RUC)二维三轴有限元模型，模拟结果表明4种编织角复合材料的拉伸应力-应变曲线的变化趋势基本一致，应力随应变的增大先增大后减小，材料轴向失效强度随编织角的增大而减小。黄桥平等对层合复合材料进行了动态拉伸试验，基于损伤能释放率建立了弹塑性损伤模型，并利用LS-DYNA软件研究了复合材料层合板的冲击性能，其模拟结果与试验结果吻合。

与三维编织复合材料的静态失效相比，复合材料在高应变速率下的损伤与破坏过程较复杂，材料性能、加载方式不同，其断裂模式也不同，因此需考虑复合材料的性能和加载方式来确定损伤失效模型。

3.3

高速冲击性能

高速冲击时，金属材料主要通过塑性变形吸收能量，而三维编织复合材料主要通过组分材料的失效破坏来吸收能量。三维编织复合材料的预制体采用连续纤维束编织，在高速冲击作用下破坏时，损伤部位萌生裂纹，但损伤主要集中在局部冲击位置，周围的纤维仍然连续且相互交错，裂纹扩展较难，因此三维编织复合材料可应用于易受冲击的结构件中。

JENQ等对三维编织玻璃纤维复合材料进行了高速冲击试验，获得了材料的载荷-位移曲线，分析了其破坏模式，并假设复合材料宏观上为连续介质，通过自定义子程序嵌入MARC软件进行高速冲击数值模拟，模拟破坏模式与试验结果一致。徐静怡等和顾伯洪等使用速度为300——700m·s-1的子 弹对三维编织复合材料进行高速冲击试验，发现复合材料的冲击失效模式为基体开裂、纤维束断裂和纤维束拔出，其中在子 弹冲击面上的纤维束主要发生剪切和压缩断裂，子 弹离开面的纤维束主要发生拉伸断裂。HAO等使用LS-DYNA软件计算了轴向冲击下三维编织管状复合材料的力学响应和能量吸收行为，讨论了能量吸收与编织参数的关系。GU建立了三维编织复合材料靶板的细观尺度有限元模型，采用LS-DYNA 软件计算了高速冲击靶板后子 弹的剩余速度和吸收能量，研究了靶板的失效模式。ZHANG 等考虑了三维编织复合材料内胞结构的特点，通过自定义本构模型模拟了三维编织复合材料的平板横向冲击过程。LUAN等进行了弹体高速冲击三维角链锁复合材料靶板试验，采用细观模型模拟发现，弹体刚接触靶板时，靶板仅发生基体开裂，纤维受挤压发生小变形；弹体逐渐进入靶板内部时，靶板发生剪切和压缩变形，在厚度方向基体和纤维发生断裂；弹体头部穿出靶板时，靶板背面出现溶胀变形，纤维拉长损坏。ZHOU等建立了三维编织复合材料管道的细观有限元模型，模拟了霍普金森压杆高速横向冲击时管道的变形行为，发现编织角为15°管道在冲击区域中心发生纤维束损伤，编织角为30°管道在冲击区域发生剪切损伤，编织角为45°管道由于弯曲刚度最大，抗冲击能力最强，损伤并不严重。ZHOU等采用改进的霍普金森压杆冲击三维编织工字梁结构，建立了三维编织工字梁的细观有限元模型并模拟了冲击过程。ZHANG等考虑到三维四向和三维五向编织复合材料中3个单胞的结构不同，采用对数函数对失效强度和应变速率的关系进行修正，并用修正后的模型模拟了复合材料的高速冲击损伤过程。杨永齐对三维编织复合材料进行高速冲击试验，发现弹体的入射速度和剩余速度呈线性相关，弹体离开面的损伤区域明显大于弹体冲击面的。李媛媛开展了三维编织复合材料冲击剪切性能的试验研究，建立了复合材料的细观有限元模型，分析了复合材料冲击剪切过程的失效机理和吸收能量。GAO等对3种编织角(15°，26°，37°)三维编织复合材料立方块进行了多次冲击试验，发现15°编织角复合材料的应力-应变呈线性关系，且冲击破坏为脆性破坏，26°和37°编织角复合材料的应力-应变呈非线性关系，冲击破坏为塑性破坏。

目前，在三维四向编织复合材料高速冲击研究中，针对实际应用对象特点的研究较少，如根据航空发动机风扇叶片实际应用特点开展的高速冲击试验研究未见公开报道。此外，三维编织复合材料的高速冲击研究主要集中在钢柱类硬物冲击方面，关于鸟体类软体高速冲击的研究仍处于初步阶段。

4 结束语

目前，在三维编织复合材料细观有限元模型的建立和动态力学性能尤其是高速冲击性能方面已经开展了研究。然而，三维编织复合材料的预制体由纤维束在空间相互交叉编织而成，空间拓扑关系十分复杂，采用细观尺度描述其结构较困难。此外，三维编织复合材料力学性能的各向异性增加了理论和试验的研究难度。因此，关于三维编织复合材料的研究主要集中在基于唯象理论的力学试验以及以RVE为基础的弹性常数计算上，而关于失效准则、动态力学性能，尤其是高速冲击性能的研究还处于探索阶段。未来可从以下几个方面开展研究：采用更加合理的纤维束截面来描述实际的纤维束构型；由于三维编织复合材料内部结构较复杂，可以进一步开发软件，并结合无损扫描数据实时构建内部结构几何模型；测试组分材料的静态和动态力学性能，定量分析应变速率效应对组分材料力学性能的影响；纤维束和基体之间界面的性能与这两种组分材料不同，因此细观有限元模型的建立应考虑界面因素；开展三维编织复合材料的动态拉伸试验研究，为确保试验结果具有代表性，三维编织复合材料动态拉伸试样需要包含一定数量的单胞，其厚度较金属拉伸试样的大，同时由于加工损伤问题，不能通过加工螺纹来连接三维编织复合材料试样和动态拉伸设备，因此需要改进霍普金森压杆试验设备并设计合适的拉伸夹具，以便开展三维编织复合材料的动态拉伸试验。

文章来源： 机械工程材料，碳纤维生产技术