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三维编织复合材料研究及应用现状

作者：王海雷高艳秋范雨娇

来源：《新材料产业》2017年第03期

三维编织复合材料是利用编织技术，把经向、纬向及法向的纤维束（或纱线）编织成一个

整体，即为预成型结构件（简称“预制体”），然后以预制体作为增强材料进行树脂浸渍固化而

形成的复合材料结构。由于增强纤维在三维空间多向分布，阻止或减缓了冲击载荷作用下复合

材料层间裂纹的扩展，使得复合材料层间性能大大提升。因此，三维编织复合材料较普通层合

复合材料具有更高的冲击损伤容限和断裂韧性。三维编织技术可按实际需要设计纤维数量，整

体织造复杂形状的零部件和一次完成组合件，减少二次加工量，如加筋壳、开孔结构的制造

等，因而经济性好、成本低、制造周期短。此外，三维编织复合材料可适用于各种复杂几何形

状的织造，稳定性和整体性高，可设计性强，可通过改变编织方式、编织角、纱线密度等参数

满足某些特定的工程需求。基于以上各种优势，三维编织复合材料得到了迅速的发展，并且受

到工程界的普遍关注[1]。

一、细观模型的研究进展

三维编织复合材料细观结构的研究始于20世纪80年代初，比如Ko和Pastore的单胞织物

几何模型（FGM），Ma和Yang的“米”字型单胞模型以及Yang提出的“纤维倾斜模型”，这些

都属于简单的等效理论的范畴。

世纪2090年代以后，数值仿真能力得到大大提高，人们开始对三维编织复合材料的成

型、编织程序、纱线在编织过程中的走向等进行更深入、完善的研究。Du和Ko在单胞理论的

基础上研究了编织参数与三维编织复合材料的纤维编织角及纤维体积含量之间的关系。Sun[2]

将数字化方法成功地用于研究复杂微观结构的三维编织矩形预成型体，准确地分析了纱线相互

作用和横截面的变形情况，并对比了拓扑模型和数字化方法预测材料微结构的差异，在此2种

模型的基础上运用体积平均法计算了三维矩形编织复合材料的抗拉刚度，剪切刚度和泊松比等

力学性能，用拓扑模型计算得来的抗拉刚度，剪切刚度值均低于数字化方法，泊松比的值则较

为近似。

在国内，吴德隆[3]首先提出了由基元、面元和柱元组成的三胞模型，三胞模型自此开始

发展并且被广泛采用和深入研究。韩其睿等[4]在大量实验数据的基础上，提出了一种新的单

元体模型，考虑了纤维的宏观尺寸，即纤维束的横截面为圆形，在相互挤压变形为椭圆。给出

了单元体模型的尺寸与纤维束半径、纤维取向角等有关参数之间的相互联系。庞宝君等[5]研

究并提出了修正的三维四向编织复材单胞模型，并从细观结构角度对此模型进行了验证。

Chen[6]基于小参数逐渐均匀化理论，采用以胞体为基础的数字化有限元分析法（DCB-FEM）

建立了三维四向编织复合材料的力学分析模型，计算出其等效弹性参数，与实验一致性高。为

三维四向编织复合材料的技术参数选择、性能设计和结构优化提供了一种可行的新方法。

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三维编织复合材料的细观结构的分析经历了取向平均单胞模型、“米”字枝状模型、纤维倾

斜模型、三胞模型以及加权平均模型等由简单的单胞到复杂的多胞体模型的发展历程，不断改

进的理论使得细观结构的模拟更加贴近实际。

由于三维编织复合材料的性能受编织方法的影响较大，为更大地改善三维编织复合材料的

力学性能，人们开始转入复合材料的优化设计以及新编织工艺的开发上。最近10年中，专门

探讨细观几何模型的文献较少，国外开始进行多层连锁编织的相关探索，如Lomov等[7]研究

了多种截面形式的连锁编织物，各类连锁织物的解析方法与之前的模型理论差异较大。Saul建

立了一种新的三维正交复合材料弹性刚度特性分析模型，它具有评估材料因编织参数变化而导

致的弹性性能变化的能力。新模型把三维编织复合材料看作是多个包含树脂包裹纤维单一元素

的层的组合。新模型的公式表达方法是先把胞体单元分成多层，再把每一层分层多个单一元

素。新模型对于除Ez外的材料弹性刚度特性的预测都较之前的模型更加准确，实际中，纤维

和树脂的波动对此模型模拟的准确性有着负面的影响。

二、宏观力学性能的研究进展

三维编织复合材料宏观力学性能的研究主要涉及拉伸、压缩、剪切、弯曲、冲击及损伤等

方面，大部分文献都是力学性能的理论研究与测试相结合的。由