复合材料因其卓越的比强度和比刚度，在航空航天、汽车和建筑等行业获得广泛认可。随着对飞行器速度需求的提升，复合材料部件在飞行过程中将承受更高的气动力和气热载荷。这些在航空领域中关键部件的应用对复合材料抗冲击损伤能力和层间力学性能提出了更高要求，使得传统二维复合材料难以胜任。簇绒作为一种工艺简单且经济高效的三维复合材料制造技术，有望成为优化增强体结构和提升增强体层间力学性能的有效手段。然而，厚度方向的簇绒线改变了增强体结构，进而影响了簇绒增强体的弯曲变形行为。簇绒增强体在弯曲变形过程中会发生横向滑移，这对传统的板壳理论提出了挑战。
近日，复合材料Top期刊《Composite Structures》发表了由扬州大学和西北工业大学等单位共同完成的有关三维簇绒增强体特殊弯曲变形行为的实验及模拟研究工作。论文标题为"Experimental and numerical study of specific bending behavior of tufted multilayered reinforcements and effects of tufting density"，扬州大学申皓和西北工业大学白任梓副教授为共同一作。该研究展示了簇绒增强体与非簇绒增强体在弯曲变形方面的差异，揭示了簇绒密度对增强体弯曲变形行为的影响，提出了一种特殊的壳单元方法，用于准确模拟具有一定厚度的簇绒增强体在弯曲变形过程中的挠度与转角，对于深入理解簇绒复合材料增强体的预成形过程中的缺陷形成原因和提升其力学性能具有重要意义。
该研究通过自研的簇绒缝合设备制备样品，保证了簇绒增强体结构的稳定性。在悬臂梁弯曲和三点弯曲实验中（如图1所示），无论是簇绒还是非簇绒增强体的法向线在弯曲变形后均不再垂直于中性层。对于此类纤维增强体，Kirchhoff理论、Mindlin板理论和Timoshenko梁理论均不适用。
图 1. 弯曲实验：(a) 非簇绒增强体的悬臂测试；(b) 非簇绒增强体的三点弯曲测试；(c) 簇绒增强体的悬臂测试；(d) 簇绒增强体的三点弯曲测试。
因此，应用了一种先前开发的考虑纤维准不可伸展性和纤维间横向滑移特性的壳单元方法（图2）。簇绒增强体的弯曲行为由其弯曲本构关系确定，将簇绒线带来的结构改变和摩擦影响融入整体试样的弯曲刚度中。此外，该模型解耦了弯曲和拉伸行为，因此能够准确预测弯曲后的中性层挠度和纤维间的横向滑移。
图 2. 簇绒增强体有限元壳单元
图 3. 悬臂测试：(a) 非簇绒样品；(b) 非簇绒样品曲率变化；(c) 非簇绒样品的弯矩-曲率曲线；(d) 簇绒样品；(e) 簇绒样品曲率变化；(f) 簇绒样品的弯矩-曲率曲线。
图4展示了簇绒密度对增强体弯曲变形行为的影响。在初始阶段，所有簇绒增强体的曲率均接近于零，直到弯矩达到临界值。该结果表明簇绒密度的增加可以提高增强体的弯曲刚度。
图 4. 悬臂测试：(a) 间距为10 mm的簇绒样品；(b) 间距为20 mm的簇绒样品；(c) 间距为30 mm的簇绒样品；(d) 中性层的弯曲挠度；(e) 弯矩-曲率曲线。
最后，研究团队进行了簇绒增强体的三点弯曲实验和模拟，进一步验证所提出壳单元在模拟簇绒增强体弯曲变形方面的能力。模拟结果与实验数据高度吻合，尤其是在样品中心区域（图5），模拟结果准确再现了样品不同形式的弯曲变形特点。
图 5. 三点弯曲测试的实验和模拟结果：(a) 位移为20 mm的非簇绒样品；(b) 位移为40 mm的非簇绒样品；(c) 位移为20 mm的簇绒样品；(d) 位移为40 mm的簇绒样品。
图 6. 三点弯曲测试中法向线转角实验与模拟对比：(a) 位移为20 mm的非簇绒样品；(b) 位移为20 mm的簇绒样品；(c) 位移为40 mm的非簇绒样品；(d) 位移为40 mm的簇绒样品。
研究表明，簇绒增强体表现出较高的弯曲刚度，但一旦弯矩超过临界值，弯曲刚度迅速下降。作为先进的三维复合材料，簇绒增强体被认为在提升飞行器的机械性能中起着关键作用。通过调节簇绒增强体的弯曲刚度，可以改变其成形性能，从而优化簇绒增强体的褶皱形态和承载路径，最终提升复合材料部件的机械性能。所提出的模拟方法相比传统方法提高了簇绒增强体弯曲模拟的准确性和效率，提供了一种在复合材料设计和开发中更具成本效益的解决方案。
原始文献：
SHEN, Hao, BAI, Renzi, ABULIMITI, Mariyemu, et al. Experimental and numerical study of specific bending behavior of tufted multilayered reinforcements and effects of tufting density. Composite Structures, 2024, p. 118670.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118670
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