紡織增強復(fù)合材料在面內(nèi)力學(xué)性能、抗沖擊性和設(shè)計靈活性方面優(yōu)于傳統(tǒng)單向?qū)雍喜牧希虼嗽诤娇蘸教旌蛙壍澜煌ǖ阮I(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。三軸編織織物（TWF；Triaxial Woven Fabric）作為一種具有超薄、輕質(zhì)、抗爆裂和面內(nèi)準(zhǔn)各向同性特性的結(jié)構(gòu)形式，尤其適用于天線和超薄機(jī)翼蒙皮等輕質(zhì)可折疊結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)前對三軸向編織織物復(fù)合材料（Triaxial Woven Fabric Composites；TWFC）在多角度拉伸下的失效行為研究仍較為缺乏，尤其是對其細(xì)觀損傷機(jī)制和紗線間相互作用的理解不足，現(xiàn)有模型往往過于簡化，忽略了紗線幾何特征和界面效應(yīng)，限制了對其損傷演化過程的準(zhǔn)確預(yù)測。

針對這些問題，東華大學(xué)、民航復(fù)合材料中心、江南大學(xué)、紡織科技教育部重點實驗室的研究團(tuán)隊在Composites Science and Technology期刊發(fā)表了研究成果，該研究通過實驗與數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)揭示了三軸向編織復(fù)合材料在0°、15°和30°偏軸拉伸下的失效行為，發(fā)現(xiàn)材料具有準(zhǔn)各向同性特征，且建立的細(xì)觀有限元模型能準(zhǔn)確預(yù)測其損傷演化過程，為高性能輕量化復(fù)合材料設(shè)計提供了重要依據(jù)。論文標(biāo)題為”Experimental and numerical investigation of tensile failure behavior of triaxial woven fabric composites”。

該研究通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了三軸向編織織物復(fù)合材料在0°、15°和30°偏軸角度下的拉伸行為與失效模式。文章采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)全程監(jiān)測試樣表面全場應(yīng)變分布，捕捉損傷起始與擴(kuò)展過程；同時建立了保留織物幾何特征并引入紗線間粘結(jié)效應(yīng)的全尺度細(xì)觀有限元損傷模型，有效克服了以往模型在紗線相互作用和界面模擬方面的不足。模型通過實際截面圖像驗證其幾何合理性，并采用粘性單元模擬紗線間分層損傷，顯著提升了模擬的真實性和預(yù)測精度。

研究結(jié)果表明，三類試樣在線彈性階段的剛度差異較小，表現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)各向同性特征。隨著偏軸角度增大，極限載荷和斷裂位移顯著下降，例如T0（0°偏軸角度下）的極限載荷為4388.66 N，而T30（30°偏軸角度下）僅為632.61 N，降幅達(dá)85.6%；T0的斷裂位移最大，T15（15°偏軸角度下）最小，T30居中；彈性模量方面，T0最高，T30最低，但差異相對較小。DIC應(yīng)變場顯示，T0中沿拉伸方向的四根紗線主導(dǎo)受力，而T15和T30中紗線發(fā)生旋轉(zhuǎn)和剪切變形，導(dǎo)致非線性響應(yīng)和最終失效。數(shù)值模擬與實驗結(jié)果高度一致，極限載荷誤差最大為19.3%（T0），最小為5%（T30），驗證了模型的有效性。

該研究通過實驗與模擬手段，系統(tǒng)揭示了三軸向編織織物復(fù)合材料在0°、15°和30°偏軸拉伸下的失效行為與損傷機(jī)制。結(jié)果表明，隨著偏軸角增大，材料力學(xué)性能逐漸退化，但彈性階段剛度差異不大，體現(xiàn)出準(zhǔn)各向同性。T0的破壞源于承重紗線的纖維斷裂和纖維-基體脫粘，而T15和T30則易在遠(yuǎn)離拉伸方向的紗線中形成扭結(jié)帶并發(fā)生剪切式破壞。模擬結(jié)果與實驗高度吻合，驗證了模型在預(yù)測損傷演化和界面效應(yīng)方面的有效性。該研究不僅深化了對三軸向編織織物復(fù)合材料失效機(jī)制的理解，還為高性能輕量化復(fù)合材料的設(shè)計與優(yōu)化提供了重要理論支撐和工程參考。

圖1 碳纖維TWF及其復(fù)合材料

圖2 試驗示意圖與樣本配置

圖3 TWFC幾何模型細(xì)節(jié)

圖4 （a–c）實驗與模擬載荷-位移曲線對比

圖5 （a）T0高應(yīng)變區(qū)域；（b）T0表面DIC應(yīng)變場；（c）T截面變形機(jī)制

圖6 （a）T15高應(yīng)變區(qū)域；（b）T15表面DIC應(yīng)變場

圖7 （a）T30高應(yīng)變區(qū)域；（b）T30表面DIC應(yīng)變場

圖8 T0最終破壞形態(tài)實驗與模擬對比

圖9 （a）T15破壞前模擬結(jié)果；（b）T15破壞后模擬結(jié)果

圖10 （a）T15初始損傷實驗與模擬對比；（b）T15最終破壞實驗與模擬對比

圖11  T30最終破壞實驗與模擬對比

原始文獻(xiàn)：

Zhang, H., Huang, L., Li, C., He, X., Li, Q., Sun, J., & Li, W. (2025). Experimental and numerical investigation of tensile failure behavior of triaxial woven fabric composites. Composites Science and Technology, 270, 111303. 

原始文獻(xiàn)：

https:///10.1016/j.compscitech.2025.111303