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二维三向编织复合材料 (two-dimensional triaxially braided composites；2DTBCs) 具有优异的损伤容限和均衡的平面性能，使其成为航空航天结构设计，特别是新型大涵道比涡轮风扇发动机机匣等主承载结构的理想选择。然而，由于其复杂的编织结构，2DTBCs 在受力过程中表现出复杂的失效行为，需要进一步研究其力学行为。以往研究表明，外部载荷角度对 2DTBCs 的力学行为有显著影响。实验数据表明，随着偏轴角度的增加，编织复合材料的拉伸刚度和强度会降低，这是由于拉伸和剪切应力之间的相互作用。然而，实验数据有限，难以全面揭示偏轴加载下 2DTBCs 的失效机制。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由西北工业大学民航学院、强度与结构完整性国家重点实验室、冲击动力学及其工程应用国际联合研究实验室、太行实验室和适航认证中心发表的有关介观仿真揭示二维三向编织复合材料偏轴拉伸失效机制的研究成果。该研究通过介观仿真揭示了 2DTBCs 在偏轴拉伸下的失效机制，为 2DTBCs 结构的设计提供了宝贵的见解，有助于提高其应用性能。论文标题为“Revealing the failure mechanism of 2D triaxially braided composites under off-axial tension through mesoscale simulations”。
文章基于Texgen软件构建了 2DTBCs 的代表性体积单元（RVE）模型，并利用 ABAQUS CAE 软件进行网格划分，包括纯基体模型和纤维束模型。
通过将仿真结果与 实验数据进行对比，验证了介观有限元模型的准确性和可靠性。结果表明，该模型能够有效地预测 2DTBCs 在不同偏轴角度下的拉伸应力-应变响应和应变分布场，尤其是在 30°、45° 和 90° 偏轴角度下，仿真结果与实验结果吻合良好。
该研究通过观察不同偏轴角度下 2DTBCs 的损伤形态和裂纹扩展路径，揭示了其失效机制。结果表明，当偏轴加载方向与纤维束方向一致时，主要失效机制为承载纤维束断裂；而当加载方向偏离轴向时，主要失效机制则为斜纤维束的扭曲,这种扭曲会导致试样边缘由于局部剪应力集中而出现与加载角度相关的翘曲。此外，研究还分析了不同偏轴角度下自由边翘曲的形成机制，并指出其对材料性能的影响。
研究还发现，自由边翘曲是导致 2DTBCs 偏轴拉伸强度降低的主要因素。在偏轴加载下，斜纤维束会发生扭曲，导致试样边缘出现周期性的翘曲，从而引发剪切失效。此外，研究通过分析不同偏轴角度下的翘曲变形，揭示了自由边翘曲的形成机制，并指出其与纤维束方向和加载轨迹之间的关系。
另外，文章研究了 Hashin 剪切因子对 2DTBCs 偏轴拉伸性能的影响。研究结果显示，当偏轴加载方向与纤维束方向一致时，剪切因子对材料性能的影响较小；而当加载方向偏离轴向时，剪切因子的影响则变得显著。剪切因子越大，偏轴拉伸强度越低。此外，研究还分析了不同偏轴角度下剪切应力的分布情况，发现 S13 剪切应力在斜纤维束的剪切失效中起着主导作用。
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