基于ABAQUS 探究機織柔性復合膜材的拉伸性能

陳銘遠，林海濤，杜硯文，陽辰峰，趙心雨

[1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.關點質量檢測（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214000]

0 引言

近年來織物柔性復合材料的應用愈加廣泛，例如建筑物的包覆材料、飛艇氣倉、飛機蒙皮等等，或者作為間隔織物的雙側材料使用。相比于傳統剛性復合材料，柔性復合材料具有質量輕、可塑性強、韌性高、包覆效果好等優點。同時柔性復合材料具有良好的耐化學性能和力學性能；拉伸作為材料的最基本力學性能，材料的沖擊性能等測試本質上是一種變速拉伸，其力學性能不僅與內部織物結構有關，還與涂層的等效基體強度有關。

織物增強柔性膜作為一種新式復合材料，目前國內外已有對柔性材料的力學性能的機理分析。ZHANG[1]進行多組單軸拉伸試驗，研究缺口形狀、缺口尺寸、試樣尺寸和加載速率對中心撕裂行為的影響后，提出了含初始缺口PVC 涂層織物的撕裂分析模型，以預測不同缺口試樣的撕裂強度。Shi[2]通過飛艇結構的典型復合織物自行設計雙層十字形試樣，隨后進行雙軸拉伸試驗。由于試樣的剛度分布合理，進行了不同經緯應力比下表征雙軸拉伸強度的雙軸拉伸破壞。該研究發現當試件達到承載能力時，出現了交叉縫斷裂和單縫斷裂兩種破壞模式。Chen[3]對層合織物URETEK3216 LV 進行了單軸、單軸和雙軸循環加載的綜合試驗研究，揭示了層合織物在特定應力狀態下的詳細力學行為，確定了合適的彈性參數。利用彈性模量—應變曲線和彈性參數響應面揭示力學行為，提出了一種加權平均積分方法計算不同應力狀態下的彈性參數。結果表明，典型的應力—應變曲線在加載過程中由3 個截然不同的區域組成：卷曲區、非線性過渡區和紗線伸展區，這與本構紗線一致。層壓織物的彈性參數和力學行為具有應力狀態特異性，且隨著實驗方案、應力比和應力水平的不同而有明顯的變化。Yu[4]研究3 種WKSF 在屈服階段存在明顯差異。隨著層數的增加波動變得更加頻繁,三層WKSF 的彈性模量最大。在抗疲勞壓縮試驗中,三種WKSF 的壓縮趨勢一致。在低速沖擊試驗中,只有3 種WKSF 的最上層由于其獨特的結構而損壞。兩層的WKSF 吸收了更多的能量,具有最好的低速抗沖擊能力。拉伸斷裂機制[5-6]主要為純剪切破壞、扭轉剪切破壞、拉剪耦合破壞[7-9]?，F階段對于柔性材料的研究大部分都在失效機理探究上，以及相關柔性傳感器的研發，對于本材料建模仿真領域[10-11]的研究還不充足。

本研究機織柔性復合材料是高強度聚酯纖維編織的結構，其外表面通過熱壓工藝包裹PVC 涂層得到。探究織柔性復合材料拉伸性能與后續仿真結果，具有一定的實際意義。

1 實驗

1.1 材料與設備

材料為PVC 與機織高強工業聚酯纖維通過熱壓工藝成型的復合材料，材料正反面外觀如圖1 所示，織物參數見表1。

圖1 材料正反面

表1 織物材料參數

1.2 實驗方案

為了應變率達到0.1ps，需要盡可能縮小測試標距段。本研究按照ISO 8256-2004 中type3 樣條通過壓片機取樣，使用MTS Criterion Model 43，5000N 微機控制電子萬能試驗機進行測試；樣條有效測試區域為10mm×10mm；測試速度根據應變率換算，0.01ps 和0.1ps 分別對應6mm/min 和60mm/min；應變測試儀器為10mm 引伸計（三星Y10/5-N），應變采集儀為東華測試DH3818Y 靜態應變測試儀，夾具上下兩端分別夾持樣條上下夾持端，保持縱向豎直裝放。拉伸裝置與測試如圖2。

圖2 拉伸裝置與測試照片

2 機織柔性復合材料建模

2.1 二維Hashin 理論

由于復合材料采用熱壓工藝制成，從某種角度來看，可以采用層合板理論來分析材料失效行為，本研究采用二維Hashin 理論來判斷材料內部損傷，包括增強纖維和等效基體的拉伸損傷和壓縮損傷判定，本研究只用來判定材料拉伸失效。

其中公式（1）為材料纖維方向拉伸失效，公式（2）為基體方向拉伸失效，式中XT、YT為橫縱向拉伸強度，SL為縱向剪切強度，在ABAQUS 中對應材料類型為Lamina。

2.2 模型建立

機織結構在平面內結構具有周期性，所以建模時建立最小可重復型單元即可。在SolidWorks 中建立相關模型，建立兩層鋪層，由一層PVC 材質和一層機織物組成，如圖3。建模切割成type3 大小樣條，在裝配體模塊進行組裝，導入Hypermesh 中進行網格劃分，模型網格類型為S3，網格數量11728，復合材料織物有限元模型如圖4。

圖3 鋪層與模型正反面示意圖

圖4 有限元模型

2.3 有限元模擬

在拉伸過程有限元模擬中選用顯示求解器ABAQUS/Explicit 來進行相關模擬分析，顯示動力學中時間步長為實際時間，設置好相應的Field Output Requests 和History Output，在樣條上下中心處各設置一個參考點RP1 和RP2，在Interaction 模塊中的Constraint 中，將上下夾持端使用Coupling 耦合在試樣上下中心點RP1 和RP2 上，耦合類型選擇Kinematic，定義相關材料參數見表2。

表2 材料相關參數

在實際的拉伸過程中，聚酯纖維內部會存在部分缺陷，從而影響復合材料整體力學性能。所以在有限元模擬中，需要做出如下2 點假設：一是模型中聚酯纖維為連續且力學性能均一的實體材料，基質PVC 材料具有良好的各向同性，在模壓過程中厚度保持一致；二是在SolidWorks 中織物材料在建模時要進行加厚，織物結構的交聯點為弧形，經緯紗在交聯點完全接觸。為了更好地模擬真實拉伸過程，在ABAQUS 中設置Tie 連接，法向行為定義為硬接觸，切向行為定義摩擦系數為0.25，測試速度分別取6mm/min 和60mm/min。

3 結果與分析

圖5 為柔性復合膜材料在0.01ps 和0.1ps 應變率下的拉伸應力應變曲線。由圖可知在材料伸長率為0%～10%之間時，材料的應力應變呈一種良好的線性關系，且應力增加呈緩慢趨勢，此時材料彈性模量相對較小。這是由于機織柔性復合膜材料中的經紗由靜態屈曲不斷被拉直的原因；同時通過對比材料拉伸應變率，發現在材料伸長率為10%～30%時，拉伸速度越快，材料所受到的應力也越大。此階段應變率的提升將直接影響材料彈性模量。

圖5 實測拉伸應力應變曲線

通過ABAQUS 軟件對于機織柔性復合膜材料的拉伸性能模擬，得到應力云圖。通過工具欄remove selected 模塊進行拆分，分別觀察PVC 層與織物結構受力情況，如圖6 所示。本研究發現涂層受力要小于織物結構受力，且材料織物結構的經緯紗交叉點出現應力集中現象。由于本實驗為縱向拉伸，所以經紗承受主要應力。但在模擬中可以發現部分緯紗也受到應力。原因是在拉伸過程中，隨著經紗的拉緊，在織物材料的經緯紗交叉點通過摩擦的形式實現了力的傳遞，而由于交叉點摩擦力的存在，材料容易在此區域失效。這與實際測試結果相互印證。不同應變率仿真應力應變曲線對比如圖7 所示。

圖6 PVC 涂層與聚酯纖維結構受力云圖（其中A、B為0.01ps，C、D 為0.1ps）

圖7 不同應變率仿真應力應變曲線對比

4 結語

4.1 機織柔性復合材料應力應變曲線具有良好的線性關系，且同種材料隨拉伸速度增大，材料拉伸強度會逐漸增大，但是速度導致的應力增大現象在伸長率未達到10%前影響較小。

4.2 由拉伸應力云圖可知，拉伸樣品受力最大處在內部織物結構上，經緯紗的交織點上會由于經緯紗的滑動摩擦出現應力集中現象，可以在后續工程應用上強化交織點部分，從而達到增強材料力學性能的目的。

4.3 本研究通過實驗測試了機織柔性復合膜材料的拉伸性能，實驗數值與仿真結果曲線上升趨勢具有良好的一致性，證實了仿真實驗的可行性，為柔性材料的工程應用以及不同的織物成型方式提供參考。