基于ABAQUS 探究机织柔性复合膜材的拉伸性能

陈铭远，林海涛，杜砚文，阳辰峰，赵心雨

[1.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.关点质量检测（无锡）有限公司，江苏 无锡 214000]

0 引言

近年来织物柔性复合材料的应用愈加广泛，例如建筑物的包覆材料、飞艇气仓、飞机蒙皮等等，或者作为间隔织物的双侧材料使用。相比于传统刚性复合材料，柔性复合材料具有质量轻、可塑性强、韧性高、包覆效果好等优点。同时柔性复合材料具有良好的耐化学性能和力学性能；拉伸作为材料的最基本力学性能，材料的冲击性能等测试本质上是一种变速拉伸，其力学性能不仅与内部织物结构有关，还与涂层的等效基体强度有关。

织物增强柔性膜作为一种新式复合材料，目前国内外已有对柔性材料的力学性能的机理分析。ZHANG[1]进行多组单轴拉伸试验，研究缺口形状、缺口尺寸、试样尺寸和加载速率对中心撕裂行为的影响后，提出了含初始缺口PVC 涂层织物的撕裂分析模型，以预测不同缺口试样的撕裂强度。Shi[2]通过飞艇结构的典型复合织物自行设计双层十字形试样，随后进行双轴拉伸试验。由于试样的刚度分布合理，进行了不同经纬应力比下表征双轴拉伸强度的双轴拉伸破坏。该研究发现当试件达到承载能力时，出现了交叉缝断裂和单缝断裂两种破坏模式。Chen[3]对层合织物URETEK3216 LV 进行了单轴、单轴和双轴循环加载的综合试验研究，揭示了层合织物在特定应力状态下的详细力学行为，确定了合适的弹性参数。利用弹性模量—应变曲线和弹性参数响应面揭示力学行为，提出了一种加权平均积分方法计算不同应力状态下的弹性参数。结果表明，典型的应力—应变曲线在加载过程中由3 个截然不同的区域组成：卷曲区、非线性过渡区和纱线伸展区，这与本构纱线一致。层压织物的弹性参数和力学行为具有应力状态特异性，且随着实验方案、应力比和应力水平的不同而有明显的变化。Yu[4]研究3 种WKSF 在屈服阶段存在明显差异。随着层数的增加波动变得更加频繁,三层WKSF 的弹性模量最大。在抗疲劳压缩试验中,三种WKSF 的压缩趋势一致。在低速冲击试验中,只有3 种WKSF 的最上层由于其独特的结构而损坏。两层的WKSF 吸收了更多的能量,具有最好的低速抗冲击能力。拉伸断裂机制[5-6]主要为纯剪切破坏、扭转剪切破坏、拉剪耦合破坏[7-9]。现阶段对于柔性材料的研究大部分都在失效机理探究上，以及相关柔性传感器的研发，对于本材料建模仿真领域[10-11]的研究还不充足。

本研究机织柔性复合材料是高强度聚酯纤维编织的结构，其外表面通过热压工艺包裹PVC 涂层得到。探究织柔性复合材料拉伸性能与后续仿真结果，具有一定的实际意义。

1 实验

1.1 材料与设备

材料为PVC 与机织高强工业聚酯纤维通过热压工艺成型的复合材料，材料正反面外观如图1 所示，织物参数见表1。

图1 材料正反面

表1 织物材料参数

1.2 实验方案

为了应变率达到0.1ps，需要尽可能缩小测试标距段。本研究按照ISO 8256-2004 中type3 样条通过压片机取样，使用MTS Criterion Model 43，5000N 微机控制电子万能试验机进行测试；样条有效测试区域为10mm×10mm；测试速度根据应变率换算，0.01ps 和0.1ps 分别对应6mm/min 和60mm/min；应变测试仪器为10mm 引伸计（三星Y10/5-N），应变采集仪为东华测试DH3818Y 静态应变测试仪，夹具上下两端分别夹持样条上下夹持端，保持纵向竖直装放。拉伸装置与测试如图2。

图2 拉伸装置与测试照片

2 机织柔性复合材料建模

2.1 二维Hashin 理论

由于复合材料采用热压工艺制成，从某种角度来看，可以采用层合板理论来分析材料失效行为，本研究采用二维Hashin 理论来判断材料内部损伤，包括增强纤维和等效基体的拉伸损伤和压缩损伤判定，本研究只用来判定材料拉伸失效。

其中公式（1）为材料纤维方向拉伸失效，公式（2）为基体方向拉伸失效，式中XT、YT为横纵向拉伸强度，SL为纵向剪切强度，在ABAQUS 中对应材料类型为Lamina。

2.2 模型建立

机织结构在平面内结构具有周期性，所以建模时建立最小可重复型单元即可。在SolidWorks 中建立相关模型，建立两层铺层，由一层PVC 材质和一层机织物组成，如图3。建模切割成type3 大小样条，在装配体模块进行组装，导入Hypermesh 中进行网格划分，模型网格类型为S3，网格数量11728，复合材料织物有限元模型如图4。

图3 铺层与模型正反面示意图

图4 有限元模型

2.3 有限元模拟

在拉伸过程有限元模拟中选用显示求解器ABAQUS/Explicit 来进行相关模拟分析，显示动力学中时间步长为实际时间，设置好相应的Field Output Requests 和History Output，在样条上下中心处各设置一个参考点RP1 和RP2，在Interaction 模块中的Constraint 中，将上下夹持端使用Coupling 耦合在试样上下中心点RP1 和RP2 上，耦合类型选择Kinematic，定义相关材料参数见表2。

表2 材料相关参数

在实际的拉伸过程中，聚酯纤维内部会存在部分缺陷，从而影响复合材料整体力学性能。所以在有限元模拟中，需要做出如下2 点假设：一是模型中聚酯纤维为连续且力学性能均一的实体材料，基质PVC 材料具有良好的各向同性，在模压过程中厚度保持一致；二是在SolidWorks 中织物材料在建模时要进行加厚，织物结构的交联点为弧形，经纬纱在交联点完全接触。为了更好地模拟真实拉伸过程，在ABAQUS 中设置Tie 连接，法向行为定义为硬接触，切向行为定义摩擦系数为0.25，测试速度分别取6mm/min 和60mm/min。

3 结果与分析

图5 为柔性复合膜材料在0.01ps 和0.1ps 应变率下的拉伸应力应变曲线。由图可知在材料伸长率为0%～10%之间时，材料的应力应变呈一种良好的线性关系，且应力增加呈缓慢趋势，此时材料弹性模量相对较小。这是由于机织柔性复合膜材料中的经纱由静态屈曲不断被拉直的原因；同时通过对比材料拉伸应变率，发现在材料伸长率为10%～30%时，拉伸速度越快，材料所受到的应力也越大。此阶段应变率的提升将直接影响材料弹性模量。

图5 实测拉伸应力应变曲线

通过ABAQUS 软件对于机织柔性复合膜材料的拉伸性能模拟，得到应力云图。通过工具栏remove selected 模块进行拆分，分别观察PVC 层与织物结构受力情况，如图6 所示。本研究发现涂层受力要小于织物结构受力，且材料织物结构的经纬纱交叉点出现应力集中现象。由于本实验为纵向拉伸，所以经纱承受主要应力。但在模拟中可以发现部分纬纱也受到应力。原因是在拉伸过程中，随着经纱的拉紧，在织物材料的经纬纱交叉点通过摩擦的形式实现了力的传递，而由于交叉点摩擦力的存在，材料容易在此区域失效。这与实际测试结果相互印证。不同应变率仿真应力应变曲线对比如图7 所示。

图6 PVC 涂层与聚酯纤维结构受力云图（其中A、B为0.01ps，C、D 为0.1ps）

图7 不同应变率仿真应力应变曲线对比

4 结语

4.1 机织柔性复合材料应力应变曲线具有良好的线性关系，且同种材料随拉伸速度增大，材料拉伸强度会逐渐增大，但是速度导致的应力增大现象在伸长率未达到10%前影响较小。

4.2 由拉伸应力云图可知，拉伸样品受力最大处在内部织物结构上，经纬纱的交织点上会由于经纬纱的滑动摩擦出现应力集中现象，可以在后续工程应用上强化交织点部分，从而达到增强材料力学性能的目的。

4.3 本研究通过实验测试了机织柔性复合膜材料的拉伸性能，实验数值与仿真结果曲线上升趋势具有良好的一致性，证实了仿真实验的可行性，为柔性材料的工程应用以及不同的织物成型方式提供参考。