1.导读

三维针刺斜纹布复合材料因其变形能力强、耐高温烧蚀性和优异的尺寸稳定性等优点，在航空航天、热场材料等领域发挥着重要作用。与传统的无纬布相比，斜纹布中的经纱和纬纱交织在一起，针刺后的细观结构更加复杂，同时实际中会采用不同的针刺角度来满足服役部件不同位置处的性能需求，试验测试为不同针刺角度下材料力学性能的获取提供了一种有效的手段。然而，如何建立一种有限元模拟方法来分析其内部复杂的细观结构，预测三维针刺斜纹布复合材料的力学性能，并分析针刺细观结构对其力学性能的影响规律，依然是一种挑战。

我院梁军教授、葛敬冉副教授团队在《Composites Science and Technology》期刊上发表了关于针刺斜纹布复合材料力学性能分析方面的研究工作，论文标题为《A novel analysis method for mechanical properties of 3D needled twill composites based on virtual fibers》。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110129

2.内容简介

文章针对三维针刺斜纹布复合材料，通过细观结构观测将其划分为三种代表性区域，分别是非针刺区域、单独针刺区域和重复针刺区域，针对细观结构复杂的单独针刺区域，基于虚拟纤维创建了斜纹布和网胎的预制体模型，并模拟了叠层预制体的针刺过程，得到了不同针刺角度下针刺预制体的细观结构。通过提取和分析不同斜纹布层的针刺结构，建立了对应的纤维偏转公式，并进一步计算了该代表性区域的力学性能。此外，研究还发现，不同斜纹布层的纤维偏转深度不同，会导致相邻网胎层的纤维体积分数发生变化，进而影响复合材料的力学性能。

图1.数字单元模型及针刺区域细观结构

本文还根据针刺工艺参数建立了三维针刺斜纹布复合材料周期性单胞模型，该模型包含了上述三种代表性区域，通过将三种代表性区域的性能赋予到单胞中，最终可得到三维针刺斜纹布复合材料的力学性能。同时统计了在不同的针刺角度和针刺落点情况下，刺针的受力随针刺深度的变化规律，以及不同斜纹布层中的纤维分布情况，并进一步分析了两者对针刺区域细观结构和材料力学性能的影响规律。

图2. 三维针刺斜纹布复合材料周期性单胞模型及应力云图

图3. 针刺过程模拟中的RF-ND曲线

图4. 不同斜纹布层中的纤维分布情况

3.结论及意义

文章创新地基于虚拟纤维构建了叠层预制体的数字单元模型，进行了不同针刺角度下预制体的针刺过程模拟，建立了针刺区域的纤维偏转公式，并计算了不同网胎层的纤维体积分数。同时文章在给定的针刺工艺参数下建立了考虑针刺落点分布的三维针刺斜纹布复合材料周期性单胞模型，对其力学性能进行了预报，并进一步分析了针刺角度和针刺落点对材料细观结构和力学性能的影响规律。这些研究结果有助于三维针刺斜纹布复合材料的设计和应用。

作者简介：

该研究工作的第一作者为北京理工大学先进结构技术研究院博士生乔健伟，梁军教授和葛敬冉副教授为本文共同通讯作者。

梁军，北京理工大学特聘教授，国家杰出青年基金获得者，“国家百千万人才工程”有突出贡献中青年专家，国务院“政府特殊津贴”专家，现任中国复合材料学会副秘书长，科技评价工作委员会主任，SAMPE北京分会常务理事。研究方向包括复合材料力学、防热材料与结构性能表征、轻量化多功能结构设计及增材制造等，近年来主持了国家自然科学基金重点项目、叶企孙基金、某国家级重点项目等多项国家级重大重点项目，多果获得鉴定和应用，为复合材料设计和工程应用奠定理论基础。获国家科学进步二等奖1项，教育部科技进步一等奖、国防科技进步一等奖、中国复合材料学会科学技术一等奖等3项，已发表国内外学术论文400余篇，出版专著1部。

葛敬冉，北京理工大学长聘副教授，博导，现任中国复合材料学会复合材料结构设计专委会副主任委员、陶瓷基复合材料分会委员等。主要从事编织复合材料损伤力学、防护复合材料性能表征与评价方法研究，主持了国家自然科学基金青年基金、面上项目、联合基金重点项目课题、某国家级重点项目课题等多项国家级项目，2021年获中国复合材料学会科学技术一等奖。以第一或通讯作者在复合材料旗舰期刊Compos. Sci. Technol.(12篇)、Compos. Part A、Compos. Struct.、Comput. Methods Appl. Mech. Engrg.、Int. J. Solid Struct.、Int. J. Fatigue、Int. J. Heat Mass Transf.等期刊发表SCI论文49篇。