三维编织复合材料因其独特的三维纺织增强结构，在航空航天、汽车等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这种复杂的纱线结构也导致了材料在力学行为上的非线性特征，例如刚度退化、永久应变发展等，这些特性对于结构设计和性能预测至关重要。目前，三维编织复合材料的研究主要集中在微观尺度模型，例如代表性单元体模型，这类模型能够详细描述材料的微观结构和失效机制，但计算成本高昂，难以应用于实际工程结构分析。因此，需要发展计算效率更高的宏观尺度模型来预测三维编织复合材料的力学行为。
近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由瑞典查尔姆斯理工大学、英国布里斯托尔大学、GKN航空航天公司完成的有关三维编织复合材料在拉伸循环加载下的力学行为的研究成果。该研究通过循环加载实验，探究了三维编织复合材料在不同加载方向下的力学行为，并建立了宏观弹塑性损伤模型来预测材料的行为。该模型能够较好地预测单向加载模式下的材料行为，并为三维编织复合材料在工程中的应用提供了理论基础。论文标题为“Cyclic behaviour of 3D-woven composites in tension: Experimental testing and macroscale modelling”。
该研究针对 0°（经向）、90°（纬向）和 45°（剪切）三种不同取向的 3D 编织复合材料样品进行了循环拉伸测试，并对 15° 和 30° 的偏轴样品进行了拉伸测试。
图1 实验测试结果，左图显示了三个测试样品的载荷-位移曲线，右图为应力-应变曲线。
研究人员通过分析载荷-位移曲线和应力-应变曲线，深入研究了材料的非线性行为，并重点关注了刚度退化（损伤）和永久应变发展（塑性）两个关键方面。
图2 对样品4在经纱方向上测试的不同轴向应变测量的实验测试结果进行比较。左侧的图像展示了不同的提取方法，而右侧的图像则展示了得到的应变-时间曲线。
实验结果表明，不同加载模式下，材料表现出显著不同的行为特征。例如，经向样品在循环加载过程中出现了刚度硬化现象，而纬向样品则表现出明显的损伤累积。此外，偏轴样品的测试结果进一步揭示了拉伸和剪切载荷的耦合效应，为理解 3D 编织复合材料的力学行为提供了重要信息。
图3 DIC图像显示了样品4在翘曲方向上测试的每个负载循环峰值处的轴向应变分布。
图4 显示从单轴拉伸循环试验中提取损伤和塑性参数的拟议校准程序的流程图。
该研究提出的 3D 编织复合材料宏观尺度模型融合了损伤力学和塑性力学理论，并采用正交各向异性假设来描述材料的力学行为。模型综合考虑了损伤和塑性对材料刚度的影响，并通过分析不同加载模式下的载荷-位移曲线和应力-应变曲线，提取了模型所需的参数。这些参数包括屈服应力、硬化应力、损伤起始点和损伤演化函数等，提取过程遵循一定的步骤，并通过拟合实验数据确定了具体的函数形式，从而实现了模型的校准和验证。
图5 当材料沿翘曲方向加载时，在图5所示的循环单轴应力-应变曲线上执行图19中概述的校准程序。
该研究利用宏观尺度模型对不同加载模式下 3D 编织复合材料的力学行为进行了预测，并将预测结果与实验数据进行了对比和分析。结果表明，模型能够较好地预测经向、纬向和剪切加载模式下的材料行为，包括刚度退化、永久应变发展和载荷-位移曲线的变化趋势。
图6 0°经纱对齐试样的实验和模拟结果的比较。左图显示了轴向载荷-位移曲线，右图显示了在红星指示的位置拍摄的轴向应变分布的轮廓图。
图7 90°纬纱对齐试样的实验和模拟结果的比较。左图显示了轴向载荷-位移曲线，右图显示了在红星指示的位置拍摄的轴向应变分布的轮廓图。
对于 15° 和 30° 偏轴加载模式，模型的预测结果与实验数据存在一定偏差，这可能是由于模型未能充分考虑拉伸和剪切载荷的耦合效应。此外，模型也无法准确预测材料内部的应变集中现象，这是由于宏观尺度模型将材料视为均匀介质，无法捕捉材料微观结构的细节。
该研究通过循环加载实验和宏观模型建立，对三维编织复合材料在拉伸加载下的非线性力学行为进行了深入研究。研究结果为三维编织复合材料在工程中的应用提供了理论基础，并为后续研究提供了参考。该研究对于三维编织复合材料的结构设计和性能预测具有重要意义。通过建立宏观弹塑性损伤模型，可以更有效地预测材料在复杂加载条件下的力学行为，从而提高结构设计的可靠性和安全性。
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