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北航北化等：三维编织复合材料高应变率冲击响应与损伤机理研究

发布时间：2026-09-14 01:44:08 丨 浏览次数：547

　　摘要：航空航天和汽车领域的三维正交编织复合材料（3D orthogonal woven composites ；3DOWCs）通常会受到包含振动和冲击的复杂动态环境的影响，因此研究其冲击性能至关重要。文章首先通过实验探讨了应变率、纬纱密度和加载方向对 3DOWCs 冲击性能和失效机制的影响。其次，建立了全尺寸有限元模型来预测应力分布和界面损伤演变过程。预测结果与实验结果吻合良好。研究表明，冲击特性表现出应变率敏感性。随着纬纱密度的增加，高应变率冲击行为也得到改善。特别是，纬纱密度为 2 yarn/cm (W5-2) 的 3DOWCs 在 812 s-1 下的经纱冲击强度比纬纱密度为 1.5 yarn/cm (W5-1) 的 3DOWCs 在 822 s-1 下的经纱冲击强度高 17.4% 和 24.0%。同时，经纱冲击强度始终高于纬纱冲击强度。此外，应变率、纬纱密度和加载方向对 3DOWCs 的应力分布和界面损伤演变过程有显著影响。在经纱冲击中，主要的失效模式是经纱断裂和基体开裂，而纬纱冲击中的损伤主要是由纬纱的局部断裂和界面脱粘引起的。

　　三维编织复合材料因其优异的力学性能，在航空航天、汽车等领域应用广泛。然而，这些应用场景往往伴随着复杂的动态环境，如振动和冲击，因此研究三维编织复合材料的冲击性能至关重要。目前，对三维编织复合材料在静态载荷下的力学性能研究较为成熟，但在动态冲击特性方面，尤其是考虑不同应变率、纬向纱线密度和加载方向等因素的研究仍相对缺乏。

　　近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由北京航空航天大学、北京化工大学和比利时鲁汶大学、安徽工业大学纺织服装学院的研究团队完成的有关三维编织复合材料高应变率冲击响应与损伤机理研究的研究成果。该研究通过实验和全尺寸有限元模型，系统地研究了应变率、纬向纱线密度和加载方向对三维正交编织复合材料（3DOWCs）冲击性能和损伤机制的影响，为三维编织复合材料在动态载荷下的应用提供了重要的理论依据和技术指导。论文标题为“Experimental and numerical validation of high strain rate impact response and progressive damage of 3D orthogonal woven composites”。

　　该研究旨在探讨三维正交编织复合材料 (3DOWCs) 在高应变率冲击下的响应行为和渐进损伤机制。研究人员重点关注了应变率、纬纱密度和加载方向对 3DOWCs 冲击性能和失效机制的影响。

　　图1 纤维体积分数为50%的3D正交编织预成型件和3DOWC的物理图片，以及在不同应变率下冲击的实验样品和设备。

　　研究综合运用了实验测试和有限元分析方法来研究 3DOWCs 的冲击行为，使用霍普金森压杆 (SHPB) 对不同纬纱密度和加载方向的 3DOWCs 进行了高应变率冲击实验，并使用扫描电子显微镜 (SEM) 观察了冲击后的样品形貌，从而获得了冲击性能和失效机制的相关数据。同时，他们建立了考虑实际结构关系的 3DOWCs 全尺寸参数化有限元模型，并结合实验测定的应力波，预测了应变率、纬纱密度和加载方向对冲击行为的影响，并详细描述了应力分布和界面损伤的演变过程，验证了有限元模型的准确性。

　　图4 W5-13DOWCs在低应变率下翘曲冲击时的界面损伤演化和应力分布。

　　图5 W5-13DOWCs在高应变率翘曲冲击下的界面损伤演化和应力分布。

　　研究表明，3DOWCs 的冲击特性对应变率敏感。随着应变率的增加，其峰值载荷和强度持续提升，而损伤应变则有所下降。此外，纬纱密度的增加也能显著提升 3DOWCs 的冲击性能，尤其是在高应变率下。经向冲击强度始终高于纬向冲击强度，且应变率、纬纱密度和加载方向对 3DOWCs 的应力分布和界面损伤演变过程有显著影响。在经向冲击中，主要失效模式是经纱断裂和基体开裂；而在纬向冲击中，主要失效模式是纬纱的局部断裂和界面脱粘。

　　图7 W5-13DOWCs在高应变率纬向冲击过程中的界面损伤演化和应力分布。

　　研究揭示了应变率、纬向纱线DOWCs冲击性能和损伤机制的影响规律，并建立了能够准确预测3DOWCs冲击行为的全尺寸有限元模型。该研究结果为三维编织复合材料在航空航天等领域的应用提供了重要的理论依据和技术指导，有助于推动三维编织复合材料在动态载荷下的研究和应用。

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