3D编织复合材料因其优异的平面性能，在航空航天、汽车工业和桥梁建设等领域应用广泛。然而，制造复杂形状的3D编织复合材料部件面临着成型工艺复杂、变形模式多样的挑战。现有的宏观材料模型在模拟3D编织材料成型过程中，未有效考虑剪切-压缩耦合现象，导致模拟结果与实际情况存在偏差。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南京航空航天大学能源与动力学院、南京林业大学化学工程学院、工业和信息化部航空发动机热环境与结构重点实验室、南京航空航天大学力学与控制机械结构国家重点实验室和成都420厂、哈尔滨工程大学的研究团队完成的有关考虑剪切-压缩耦合的3D编织复合材料成型模拟的研究成果。该研究旨在建立考虑剪切-压缩耦合的超弹性模型，并利用该模型进行3D编织材料成型模拟，以更准确地预测成型过程中的变形行为，为复合材料结构的设计和制造提供理论指导。论文标题为“A hyperelastic model considering the coupling of shear-compression for the forming simulation of 3D orthogonal composite preforms”。
该研究针对三维正交编织复合材料成型过程中存在的剪切-压缩耦合现象，提出了一种考虑耦合效应的超弹性材料模型。通过实验研究了预压缩和预剪切对材料变形的影响，并建立了相应的应变能密度函数。基于实验数据，建立了考虑拉伸、压缩、剪切和剪切-压缩耦合行为的超弹性本构模型，并使用 ABAQUS/Explicit 用户子程序实现了该模型。利用所建立的模型对三维正交编织材料的半球形成型过程进行了模拟，并通过实验验证了模拟结果的准确性。
图1 六层3D正交SiC机织物的织造结构示意图。
图2 考虑预压缩的平面剪切试验装置：（a）已完成装置的示意图，（b）压缩模块安装轮廓的示意图；（c）装置变形的示意图。（d）双螺纹轴的安装，（e）下压缩板的安装；（f）将试样与上压缩板安装在一起；（g）试样的固定。
图3 织物压缩均匀性测量。
图4 三维正交SiC织物的半球成形：（a）试验装置，（b）试样的半球成形区域，（c）用于固定几何形状的半球壳，以及（d）用于半球成形模拟的几何模型。
研究采用实验和数值模拟相结合的方法，实验方面，进行了预压缩状态下的平面剪切实验和预剪切状态下的压缩实验，并通过 X 射线断层扫描 (XCT) 分析了材料的内部结构，揭示了剪切变形对材料内部压缩状态的影响。数值模拟方面，使用 ABAQUS/Explicit 软件建立了三维正交编织材料的有限元模型，并实现了考虑剪切-压缩耦合的超弹性本构模型。通过改变摩擦系数，研究了摩擦对材料变形的影响，并对比分析了考虑剪切-压缩耦合和不考虑剪切-压缩耦合的模拟结果，评估了耦合效应对材料变形的影响。
图5 考虑预剪切的压缩试样。
图6 半球成形中的平面内剪切变形：（a）试样的四分之一部分，（b）考虑剪切-压缩耦合的织物半球成形的模拟结果，（c）不考虑剪切-压力耦合的织件半球成形的仿真结果，以及（d）试样的二分之一部分。
研究发现，预压缩对三维正交编织材料的平面剪切变形具有抑制和促进作用，而平面剪切变形会促进材料的压缩变形。通过引入考虑剪切-压缩耦合的超弹性本构模型，可以更准确地预测三维正交编织材料的变形行为，例如平面剪切角度和成型边缘形状。研究发现，剪切-压缩耦合效应对材料的压缩变形具有重要影响，导致高平面剪切区域材料的压缩变形更大且不均匀。此外，成型模拟中需要合理地考虑摩擦对材料变形的影响，特别是在考虑剪切-压缩耦合效应时。
图7 三维正交SiC织物半球形成形的压缩变形结果：（a）试样的四分之一部分，（b）考虑剪切-压缩耦合的织物半球成形的模拟结果，（c）不考虑剪切-压力耦合的织体半球成形的仿真结果，（d）试件的四分之一部分，以及（e）半球区域的边缘。
该研究提出了一种新的超弹性材料模型，能够更准确地模拟 3D 正交编织复合材料的成形过程，考虑了剪切和压缩之间的耦合作用。实验验证了该模型的准确性，并表明剪切-压缩耦合对成形过程有显著影响，尤其体现在成形边缘和剪切角度上。为 3D 编织复合材料的设计和制造提供了更可靠的模拟工具。
主要研究结论：
1. 剪切-压缩耦合机制对 3D 正交编织复合材料的成形过程有显著影响，尤其是在成形边缘和剪切角度上。
2.考虑剪切-压缩耦合的模型能够更准确地模拟成形过程，产生更真实的成形边缘和剪切角度分布。
3.该研究为 3D 编织复合材料的设计和制造提供了更可靠的模拟工具，有助于提高复合材料部件的性能和制造效率。
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