《Composite Structures》：A novel modeling approach for interlaminar delamination behavior in 3D needled nonwoven preforms
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本文针对3D针刺非织造预成型材料的层间剥离行为，提出一种混合有限元建模方法，结合壳单元模拟织物铺层和桁架单元模拟针刺纤维束，通过实验参数校准，验证模型预测剥离载荷-位移曲线的准确性，并发现针刺密度与平均剥离载荷呈线性关系。
Jing Fang|李晨|唐友红|王晶晶|尚志琪|谢俊波|乔伟|赵世波
中国天津天宫大学复合材料研究所先进纺织复合材料重点实验室，教育部
摘要
本文研究了三维针刺非织造预浸料的层间剥离行为。由于针刺预浸料的纤维结构复杂，预测其剥离行为具有挑战性。为了解决这一问题，提出了一种新的混合有限元建模方法。在该方法中，非织造织物层使用壳单元进行建模，而z方向的针刺纤维束则使用桁架单元进行建模。该模型严格基于实验数据：几何参数和分布是通过微CT扫描获得的，而织物弯曲和纤维束拔出的本构律则是通过专门的图片框架测试和纤维束拔出测试校准的。该模型的关键创新在于其高效的多组分表示方法，能够在不增加过多计算成本的情况下捕捉到主要的剥离机制。模型预测的载荷-位移曲线与实验结果非常吻合。此外，应用该模型还发现了一个重要的新现象：平均剥离载荷与针刺密度呈近似线性关系。本研究为分析和优化三维针刺预浸料的层间性能提供了一个可靠的数值框架。
引言
三维（3D）针刺是一种高效且成本效益高的织物预浸料制造技术[1]、[2]。利用针刺技术可以生产大尺寸和复杂形状的纤维增强体，在复合材料领域具有广泛的应用潜力[3]、[4]、[5]。由于其优异的机械性能，针刺复合材料已广泛应用于航空航天、汽车制造和国防领域[3]、[4]、[5]。复合材料的机械性能在很大程度上取决于预浸料的纤维结构。通过在针刺过程中沿厚度方向引入针刺纤维束，可以提高三维针刺预浸料的层间强度。这些纤维束与织物层之间的粘结强度被认为是决定其层间机械性能的关键因素。因此，深入研究三维针刺预浸料的层间剥离行为对于提升其机械性能具有重要意义。
三维针刺复合材料具有出色的整体性能和优异的设计灵活性，使其结构和性能成为长期研究的重点。Ishikawa [6]、[7] 使用X射线计算机断层扫描分析了针刺非织造织物的纤维结构，并研究了针刺条件、拉伸性能和结构参数之间的关系。Li [8] 和 Niu [9] 利用原位X射线计算机断层扫描观察了三维针刺复合材料在拉伸载荷下的损伤演变和断裂行为。他们的研究表明，裂纹起源于原始微孔。Liang [10] 采用双切口剪切试验方法对针刺复合材料进行了层间剪切试验，研究了剪切应力-应变响应和剪切应变场的演变。Jabbar [11] 和 Martínez-Hergueta [12] 实验证明，与针刺非织造织物层叠的复合材料具有优异的抗冲击性能。Yao [13] 使用无毡针刺技术制备了高性能针刺织物，然后对其层间剥离和平面拉伸性能进行了实验研究。Yao [14]、[15] 对无毡针刺复合材料进行了拉伸、弯曲和层间剪切试验，结果表明无毡针刺复合材料在层间剪切强度、平面拉伸性能和弯曲性能方面明显优于常见的毡/基布针刺复合材料。Guo [16] 基于短纤维针刺技术制备了高纤维体积分数的针刺复合材料，其在拉伸和层间性能方面均有显著提升。
针刺过程引起的复杂纤维结构使得针刺织物的建模变得具有挑战性。因此，大多数研究简化了材料结构以开发针刺复合材料的模型。Yu [17] 和 Niu [9] 使用微CT技术提取了经纱、纬纱和针刺纤维束的轮廓，然后开发了针刺复合材料的微观有限元模型。该模型揭示了针刺复合材料的微观结构特征和缺陷，揭示了材料的断裂机制。然而，基于CT的模型的准确性受到CT图像质量和CT扫描样本选择的限制。Chen [18]、[19] 通过实验和数值方法研究了针刺复合材料的I型和第二型层间力学行为，并揭示了层间失效机制。Liu [20] 提出了一种新的“介观”级模拟方法，用于模拟针刺碳纤维复合材料的层间剪切行为。该模型能够很好地预测复合材料的层间剪切载荷-位移曲线和损伤演变。Zhou [21]、[22] 使用圆弧梁元素和扩展弹簧元素开发了三维针刺C/C复合材料的介观模型。通过将拉伸、压缩和弯曲试验结果与模拟结果进行比较，验证了该力学模型的有效性。考虑到针刺复合材料的复杂几何特性，Lim [23] 和 Zhang [24] 建立了一个多尺度有限元模型，用于预测三维针刺C/C-SiC复合材料的机械性能。该多尺度模型通过静态拉伸、剪切和弯曲试验以及断裂微观结构得到了验证。
近年来，在三维针刺预浸料的建模方法方面取得了显著进展。Song [25] 使用纤维位移方法建立了三维短纤维针刺毡模型。该模型成功捕捉了纤维毡的微观几何特征，但计算资源消耗较大。Qiao [26] 使用数字元素方法重建了三维针刺预浸料模型，并考虑了多种针刺方向。在此基础上，为针刺斜纹复合材料开发了一个周期性单元格模型，并有效预测了其机械性能。Xie [27]、[28] 使用虚拟纤维建模方法再现了织物的针刺过程，建立了三维针刺预浸料的微观几何模型。此外，还开发了一种基于广义梁元素的新型虚拟纤维模型[29]，其中考虑了碳纤维的低弯曲刚度。构建了三维针刺非织造预浸料模型，并对其压缩行为进行了模拟。该高保真模型准确捕捉了预浸料的微观几何变形，并有效预测了其机械响应曲线。然而，由于计算效率的限制，纤维尺度模型仅适用于小型预浸料的建模和机械行为模拟。此外，目前缺乏有效的三维针刺非织造预浸料层间剥离行为建模方法，其背后的机制仍不清楚。
本研究开发了一种新的建模方法，以填补预测三维针刺预浸料剥离行为的空白。通过结合织物层和厚度方向针刺纤维束的机械性能，首次实现了对三维针刺非织造预浸料剥离和损伤演变的高精度模拟。该模型的关键创新在于一种混合有限元框架，它将基于连续体的壳单元（代表织物层）与离散的桁架单元（代表针刺纤维束）战略性地结合在一起，从而能够高效且机制性地模拟主要的剥离过程。所提出的建模方法和模型的可靠性通过实验结果得到了验证。所有模型参数都是从独立的机械测试中确定的——织物层的弯曲测试和纤维束的拔出测试。此外，通过数值模拟建立了针刺密度与针刺预浸料抗剥离性能之间的理论关联。
部分内容摘录
三维针刺非织造预浸料的制备
本研究中使用的碳纤维毡由天宫大学制造，原材料为Toray Industries Inc.提供的T700碳纤维纱。碳纤维毡的面积密度为45 g/m2，厚度为0.5 mm。将十二层碳纤维毡堆叠后，使用天宫大学复合材料研究所开发的六关节机器人针刺系统进行针刺，如图1(a)所示。针刺过程中使用了带刺的针头。
针刺纤维束拔出建模
针刺纤维束拔出测试表明，三种不同针刺密度的样品的标准化纤维束拔出载荷-位移响应在统计上是一致的。这种等效性表明，每个针刺点都对层状纺织结构中的z方向纤维增强作用有类似的贡献。如图6所示，开发了一种三维针刺非织造预浸料的混合有限元模型。
三维针刺非织造预浸料中的纤维束拔出
轮廓图展示了拔出过程中不同阶段的针刺纤维束损伤演变情况，如图10(a)-(d)所示。随着拉伸载荷的增加，桁架构件被拉长。载荷-位移曲线表现出明显的非线性特征，如图10(e)所示。当满足损伤标准时，桁架元件发生损伤。此时，拔出载荷达到峰值（如载荷-位移曲线上的点A所示）。然后，
结论
通过综合实验和数值方法，全面研究了三维针刺非织造预浸料的层间剥离行为。本研究提出了一种新的建模方法，并开发了一种混合有限元模型来模拟层间剥离过程。该模型创新地使用壳单元表示非织造织物层，使用桁架单元表示z方向的针刺纤维束。几何参数和
CRediT作者贡献声明
Jing Fang：撰写——初稿，软件编写。李晨：资源获取，概念构思。唐友红：资源获取。王晶晶：形式分析，数据管理。尚志琪：软件编写，数据管理。谢俊波：撰写——审稿与编辑，概念构思。乔伟：验证，研究。赵世波：可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家留学基金委员会（CSC）[资助编号：202409340005]和国家自然科学基金（资助编号：12472137）的支持。
