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随着高性能三维编织复合材料在航空航天、海洋等领域的应用，其力学性能预测和损伤行为分析变得尤为重要。目前，2.5D经编复合材料的建模多采用理想化模型，忽略了成型过程中纱线之间的变形，导致力学性能预测和损伤行为分析结果偏差较大。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由江苏科技大学能源与动力工程学院、南京航空航天大学能源与电力工程学院、中国船舶科学研究中心、天津工业大学教育部先进纺织复合材料重点实验室、洛阳双瑞橡塑科技有限公司和洛阳船舶材料研究所完成的有关虑纱线挤压变形的2.5D经编复合材料建模新方法的研究成果。该研究通过引入两个特殊参数（ψ 和 φ）来调节纱线的挤出程度，构建了2.5D经编复合材料的参数化模型，并通过实验验证了其几何参数、力学性能和损伤行为的预测精度。论文标题为“A parametric modeling method for 2.5D warp-reinforced woven composites considering the extruded distortion of yarns”。
该研究针对2.5D经编复合材料成型过程中纱线之间挤出变形的问题，提出了考虑纱线挤出变形的参数化建模方法，并进行了详细的实验验证和分析。该研究通过X-CT重建模型分析了成型过程中纱线的挤出变形规律，发现内部纱线也存在明显的挤出变形，这为构建更准确的模型提供了依据。
图1 2.5D经编复合材料中纱线挤出的机理和特征表征：(a) RTM设备中材料固化过程，(b) X-CT重建模型，(c) 纱线变形过程的模型表征。
为了描述纱线的挤出变形程度，该研究引入了两个特殊参数：ψ 和 φ。ψ 表示绑纱对纬纱的厚度方向挤出程度，φ 表示经纱的扭曲程度。这两个参数可以灵活调节，从而控制材料的微观结构和力学性能。
图2 建模参数定义：(a) 微观几何参数，(b) 控制挤出程度的参数，(c) 纱线间距。
图3 编织参数对模型几何形状的影响。
实验测量了材料的几何参数，并将其与模型预测结果进行了对比。结果表明，模型的平均几何参数误差仅为5.07%，验证了模型的准确性。此外，该研究还利用渐近损伤模型预测了材料的力学性能，并与实验结果进行了对比。
结果表明，模型的力学性能预测误差较小，最大预测误差仅为4.78%。最后，该研究还分析了材料的损伤模式，并与实际断裂形态进行了对比，结果表明模型的损伤模式预测结果与实际情况相符。
图4 实际断裂[22,23]与极限损伤形态的比较：(a) 经向加载，(b) 纬向加载。
该研究分析了ψ 和 φ 对材料微观结构、力学性能和损伤行为的影响。结果表明，ψ 增大可以增强材料的纬向力学性能，φ 增大则会减弱材料的经向力学性能。此外，ψ 和 φ 的变化还会影响材料的损伤模式，例如，ψ 较小时，材料的损伤区域较大，且扩散损伤较为严重。
图5 不同ψ下各构件的极限损伤比较。
图6 不同φ下各部件的极限损伤比较。
该研究提出了一种考虑纱线挤出变形的2.5D经编复合材料参数化建模方法，并通过实验验证了其合理性。为2.5D经编复合材料的成型工艺和力学设计提供了理论指导和工程参考，具有重要的理论价值和工程意义。
原始文献：
Zhang, X., Guo, J., Wen, H., Cui, H., Zhang, H., Wen, W., ... & Guo, W. (2024). A parametric modeling method for 2.5D warp-reinforced woven composites considering the extruded distortion of yarns. Composites Science and Technology, 257, 110807.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110807
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