秦愈 馬崇啟

摘要： 現(xiàn)在對織物的結(jié)構(gòu)和性能要求越來越高，一方面從原材料如纖維紗線的角度進(jìn)行研究，另一方面對織物結(jié)構(gòu)的研究也備受關(guān)注。三向織物（triaxial woven fabric，TWF）是一種各向異性差異得到改善的織物結(jié)構(gòu)，其各向同性較強(qiáng)，力學(xué)性能較高。文章首先介紹了三向織物的結(jié)構(gòu)，其次總結(jié)了三向結(jié)構(gòu)織物在力學(xué)性能方面的應(yīng)用進(jìn)展，接著介紹了三向織物復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，最后介紹了有限元模擬在分析織物和織物復(fù)合材料性能研究中的作用，并提出三向織物在未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 三向織物;織物結(jié)構(gòu);復(fù)合材料;力學(xué)性能;有限元模擬

Abstract： Nowadays， the requirements for the structure and performance of fabrics are getting higher and higher. On the one hand， research is carried out from the perspective of raw materials， for example， fiber yarns， and on the other hand， research on the structure of fabric has also attracted much attention. Triaxial woven fabric（TWF） is a fabric structure with improved anisotropic difference. It has strong isotropy and high mechanical properties. This article first introduces the structure of triaxial woven fabrics， summarizes the application progress of triaxial woven fabrics in terms of mechanical properties， then introduces the properties of triaxial woven fabric composites（TWFC）， and finally illustrates the role of finite element simulation in the analysis of fabrics and research on the properties of fabric composites. The development trend of triaxial woven fabrics in the future is put forward.

Key words： triaxial woven fabric; fabric structure; composite material; mechanical properties; finite element simulation

三向織物的結(jié)構(gòu)自古以來就被廣泛使用，中國早在先秦時(shí)期就有用竹片編制成類似于三向織物結(jié)構(gòu)的器具。在現(xiàn)在社會的手工制品中，還可以找尋到蹤跡。最早人們利用這種結(jié)構(gòu)編織籃筐，因此也被稱為籃筐組織。日本在公元前5700年就有竹籃結(jié)構(gòu)的文物，其結(jié)構(gòu)為三個(gè)方向上的竹片相互交織形成穩(wěn)定的六邊形孔眼結(jié)構(gòu)[1]。早在1921年，人們就開始探尋這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。美國Stewart F.H.公開的三向織物被稱為Stewart織物，該織物是由兩組沿對角線方向分布的經(jīng)紗與另一組水平方向的雙股緯紗交織而成[2]?；谌蚩椢锏慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，三向織物被應(yīng)用于航空航天項(xiàng)目，美國航天局為此專門聯(lián)合科尓門公司開發(fā)三向織機(jī)[3]，在美國格林威爾國際紡織機(jī)械展覽會上，其研發(fā)的三向織機(jī)第一次正式亮相，此后的新型三向織機(jī)皆以此為基礎(chǔ)。日本是世界上唯一可以生產(chǎn)三向織機(jī)的國家，其制造的三向織機(jī)可以織造較多的組織形式。1978年，中國紡織大學(xué)的楊青教授開始研制三向織機(jī)并列入紡織軍工項(xiàng)目，其研究小組所研制的機(jī)器SX-1和SX-2型可以進(jìn)行基礎(chǔ)組織和雙平紋組織的織制，以此填補(bǔ)了中國在特種織機(jī)方面的一項(xiàng)空白[4]。

三向織物出現(xiàn)之后，就備受國內(nèi)外的紡織學(xué)者關(guān)注，因?yàn)槠渚哂懈飨蛲?、比重輕等結(jié)構(gòu)特性，并且織物具有良好的力學(xué)性能，可以應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如制作充氣汽艇、人造衛(wèi)星回收傘、水壩、氣球、船帆[5-6]等，或者結(jié)合復(fù)合材料，作為航空航天材料的輔助器件。此外，三向織物增強(qiáng)復(fù)合材料也被用于制備人造血管、再生導(dǎo)管[7]及人造骨架等材料。本文介紹了國內(nèi)外關(guān)于三向織物的結(jié)構(gòu)，織物和復(fù)合材料的力學(xué)性能及模擬方面的研究，提出了目前存在的問題和發(fā)展趨勢。

1 織物結(jié)構(gòu)對材料機(jī)械性能的影響因素

1.1 織物組織結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的雙軸向織造工藝中兩組紗線垂直交織，即經(jīng)紗和緯紗。通過改變織物的經(jīng)緯紗密度，可以滿足不同材料的設(shè)計(jì)要求，平紋織物具有線密度高、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、受力面積大等優(yōu)點(diǎn)。

三向織物的紗線構(gòu)成具有多樣性，可以分為單組分、雙組分、三組分，單組分即三組紗線為同種材料;雙組分中兩組紗線由不同材料制成;三組分中三組紗線均為不同種材料。三向織物的基礎(chǔ)組織如圖1（a）所示，是由三個(gè)方向紗線構(gòu)成，水平方向的紗線為緯紗，另外兩個(gè)方向的紗線為經(jīng)紗，并且相鄰兩個(gè)方向的紗線互成60°，在每一個(gè)方向紗線可以由一股或者多股紗線組成[8]。在這種織物中存在多個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，由于三角形的穩(wěn)定性高于矩形，導(dǎo)致三向織物的自鎖功能更穩(wěn)定，使紗線彼此接觸緊密，交織紗線打滑現(xiàn)象減少，使其具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性。雙平紋組織如圖1（b）所示，每個(gè)方向上均有兩組紗線，每兩組紗線的交互角仍保持60°不變，這兩根紗線的交織規(guī)律呈互補(bǔ)型，正由于紗線的這種交替形成了雙平紋緊密的組織結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相較于基礎(chǔ)組織降低了孔隙率，承載載荷的能力也大大提升。

為了適應(yīng)不同需求，織物的結(jié)構(gòu)也在不斷進(jìn)行改變，如圖2所示。增加孔洞面積可以改變紗線間距，減少孔洞面積可以增加每個(gè)方向的紗線根數(shù)，這樣可以形成不同的組織形式如襯底組織、三分之一緯紗雙平紋組織、雙平三浮組織、斜紋織物、高度多孔織物[9-12]等。增加某一方向紗線的根數(shù)，使織物的物理性能得到改變，如伸長和強(qiáng)度，同時(shí)織物的覆蓋系數(shù)、孔隙率、透氣率、透水率都增大，織物的厚度、剛度也有所增加。

1.2 織物覆蓋系數(shù)

機(jī)織物的覆蓋系數(shù)，幾何定義為紗線占有織物正面投影的面積比值。單位面積內(nèi)紗線交織越緊密，紗線之間的空隙越小，織物覆蓋系數(shù)越大。三向織物的三組紗線在互呈60°時(shí)，結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，力學(xué)性能較好。三向織物的密度較小，當(dāng)三組紗線相同時(shí)，根據(jù)機(jī)織物的覆蓋系數(shù)定義推出三向織物覆蓋系數(shù)，如下式所示：

經(jīng)過計(jì)算，基礎(chǔ)組織三向織物的覆蓋系數(shù)為0.67[13]。當(dāng)沿著X、Y、Z方向分別添加紗線根數(shù)時(shí)，如雙平紋組織三向織物，可以提高其覆蓋系數(shù)，達(dá)到0.96[14]。

1.3 織物的交織角

織物的機(jī)械性能與交織角也存在一定關(guān)系。普通機(jī)織物紗線交織角為90°，在三向織物中可以改變交織角的大小如45°、30°、65°等，這樣可以使紗線更聚集，織物整體覆蓋率增加。交織角為30°的結(jié)構(gòu)在軸向方向上的泊松比最大，隨著交織角的增大，差異逐漸減小，交織角為60°的結(jié)構(gòu)泊松比趨于平衡[15]。由于交織角的大小不同，紗線滑移情況也不同[16]。織物的孔隙率與紗線直徑無關(guān)，通過確定紗線直徑與交互角則可以確定組織中的六邊形孔洞的邊長[17]。在紗線交織最緊密的結(jié)構(gòu)中，紗線交織點(diǎn)處沒有三角形的孔隙，而紗線越細(xì)，除了結(jié)構(gòu)自身的孔洞外，交織點(diǎn)的三角形孔隙也會增多增大[18]。

2 三向織物（TWF）的力學(xué)性能

2.1 彎曲性能

織物的彎曲性能對其尺寸穩(wěn)定性有很大的影響，影響織物彎曲性能的因素包含纖維的彎曲性能、紗線的結(jié)構(gòu)、織物的結(jié)構(gòu)等[19]。當(dāng)織物發(fā)生彎曲變形時(shí)，由于纖維的黏彈性和紗線內(nèi)纖維的重新分布，織物的黏彈性和纖維間摩擦性表現(xiàn)程度也不同[20]。

由于三向織物與普通機(jī)織物的交織情況不同，這就導(dǎo)致二者的彎曲性能存在差異。Skelton[21]進(jìn)行了三向織物性能的研究，并發(fā)現(xiàn)三向織物的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于相同面積的正交織物。三向織物在彎曲性能上具有更大的各向同性，其抗剪性能優(yōu)于正交織物。由此提出了三向織物彎曲剛度的表達(dá)式，確定了織物的抗彎剛度隨角度的變化關(guān)系，如下式所示：

經(jīng)過計(jì)算，三向織物的穩(wěn)定性比具有相同表面積的正交織物要好，其在彎曲行為上的各向同性要比正交織物更高。

Schwartz[22]研究了三向織物彎曲時(shí)各向同性的預(yù)測方法。根據(jù)式（2），當(dāng)三向織物各方向紗支相同時(shí)，G1=G2=G3，J1=J2=J3，則得到新的解析表達(dá)式：

在不同的織物角度下進(jìn)行懸臂彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)值均接近于理論值，并證實(shí)了三向織物在彎曲方面非常接近各向同性，其各向異性較小的理論。在實(shí)際應(yīng)用中，三向織物比普通機(jī)織物更具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

三向織物不同于普通的平紋機(jī)織物，平紋織物是由兩個(gè)相互垂直方向上的紗線構(gòu)成，這兩個(gè)方向紗線可以承受載荷，但承載載荷的能力很弱，并且在受力方向未沿經(jīng)紗、緯紗排列方向時(shí)，織物承受載荷的能力大幅下降。三向織物由三個(gè)方向的紗線構(gòu)成，隨著紗線根數(shù)增多，方向增多，織物承受力的能力逐漸加強(qiáng)，穩(wěn)定性也越好。

2.2 撕裂性能

織物的撕裂性能可以通過對織物經(jīng)向或緯向撕破織物所需要的力來描述。對于三向織物來說，由于織物組織不同，織物表面的浮長線不同，在受力進(jìn)行撕裂的過程中，紗線的受力長度也不相同。當(dāng)紗線移動相對容易時(shí)，受力三角形也會增大，受到撕裂的紗線根數(shù)增多，撕裂就會相對困難，也就是撕裂強(qiáng)力較大[23]。

Schwartz等[24]對雙平紋三向織物的撕裂性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)中采用角度以30°為梯度遞增的方式對織物進(jìn)行撕裂強(qiáng)度測試，由于雙平紋組織結(jié)構(gòu)緊密，所以紗線滑移程度小。試驗(yàn)中采用舌撕裂方法，當(dāng)撕裂方向未沿著緯紗時(shí)，其破壞模式如圖3（a）所示;當(dāng)撕裂沿著緯紗方向時(shí)，其破壞模式如圖3（b）所示。結(jié)果表明，三向織物的撕裂強(qiáng)度與測試方向無關(guān)，其撕裂傳播模式不同。研究發(fā)現(xiàn)，紗線在三向織物中的移動性會產(chǎn)生紗線相互鎖住的行為，從而產(chǎn)生較高的撕裂力和撕裂能量。三向織物的撕裂行為類似于平紋織物，因此，盡管在交叉點(diǎn)處會產(chǎn)生紗線的鎖定行為，但是這種鎖定并不會抑制作用力下的紗線移動性。

2.3 頂破性能

陸家驊[25]對三向織物的頂破性能進(jìn)行研究。普通織物的頂破口往往是一條形如刀切的直縫，或者是相互垂直的裂縫，其破裂口和該類織物在撕裂時(shí)的裂口形態(tài)是相似的。三向織物的頂破裂口卻呈現(xiàn)邊界不清晰的破洞，其裂口不再是直縫或十字縫，而是圓形破洞，其邊界基本上屬于六角形狀態(tài)，在連續(xù)破洞的情況下，其破洞形狀不斷變大但形態(tài)幾乎不變。

Zhou等[26-28]研究了平紋織物和三向織物在不同形狀的沖擊器進(jìn)行沖擊的情況下織物的頂破性能，試驗(yàn)中采用圓形和圓錐形的沖擊器對織物進(jìn)行測試，對織物破裂的形態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)和有限元模型研究，并建立了織物破裂過程的載荷-位移曲線。結(jié)果表明，當(dāng)沖擊器不斷接觸織物時(shí)，紗線會逐漸向外圍擴(kuò)張并逐漸斷裂，直到完全沖破樣品。研究人員發(fā)現(xiàn)，三向織物在受到?jīng)_擊過程中，由于三向織物的自鎖性質(zhì)（圖4），紗線滑移較小，相比于其他組織的織物，三向織物具有更好的耐沖擊性能和更好的吸收能量的能力。表1為有限元和試驗(yàn)得出的平紋織物和三向織物受到半球形沖頭沖擊破裂后的形態(tài)。沖擊損壞后，斷裂的紗線會分解，并且由于紗線的拉出導(dǎo)致織物結(jié)構(gòu)變松。比較兩種織物的損傷情況，可以看出三向織物的結(jié)構(gòu)比平紋織物更穩(wěn)定，斷裂更難以擴(kuò)展。

2.4 拉伸性能

機(jī)織物的拉伸性能主要表現(xiàn)為沿經(jīng)紗方向和緯紗方向受到力作用的變形，斷裂強(qiáng)度也是描述拉伸斷裂性能主要的指標(biāo)之一。三向織物的拉伸性能則可以通過對織物多個(gè)方向進(jìn)行研究，也可以將拉伸表現(xiàn)進(jìn)行分類來研究。

Scardino等[29]采用22.2 tex的滌綸長絲進(jìn)行平紋織物和三向織物的拉伸性能比較。試驗(yàn)中織物均進(jìn)行熱定形處理，在測試過程中，為了防止機(jī)織物拉伸測試中紗線在非經(jīng)向和緯向打滑，采用特殊的折疊形式（圖5），有效地防止未被夾具夾緊的自由紗段紗線打滑。結(jié)果表明，三向織物比平紋織物具有更高、更均勻的抗拉強(qiáng)度。將機(jī)織物和三向織物進(jìn)行不同方向的拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明三向織物在最弱方向上的拉伸模量都比常規(guī)兩向織物高出2～3倍，證明三向織物具有較高的拉伸強(qiáng)度。Boris等[30]采用超高分子量聚乙烯纖維進(jìn)行兩向和三向織物的拉伸性能測試。兩向的編織結(jié)構(gòu)在縱向拉伸試驗(yàn)中，所有的紗線都要承受載荷，最大載荷為22 kN;在三向織物的縱向拉伸中，角度較小的織物中紗線更易斷裂。對于編織角比較大的三向織物，發(fā)現(xiàn)了一種雙峰行為，即在載荷逐漸增大的過程中變形會出現(xiàn)一個(gè)最大值，而在載荷卸載過程中也會出現(xiàn)一個(gè)峰值。由于兩向織物中不存在第三個(gè)方向的紗線，所以沒有這種行為。如在編織角為13°時(shí)并沒有發(fā)現(xiàn)雙峰行為，編織角為20°時(shí)在25 kN對應(yīng)變形5.7%時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在27 kN處出現(xiàn)8%的變形第二個(gè)峰值，如圖6所示。當(dāng)編織角增加時(shí)，模量和最大載荷減小，并且對于三向或兩向織物，這些變化是相似的，即機(jī)械性能高度依賴于編織角。由于三向織物中存在附加的紗線，所以三向織物的拉伸性能始終高于兩向織物。

2.5 防刺性能

Messiry等[31-32]對比了單層和多層絹絲織物的防刺性能，多層織物是在3層芳綸布上下都放置絹絲布，采用落錘沖擊試驗(yàn)儀器，將刀具固定在沖擊器上對織物進(jìn)行沖擊，試驗(yàn)表明多層織物具有較高的抗?jié)B透性，有助于提高穿刺阻力。對比機(jī)織物、針織物、三向織物在受到刀具作用時(shí)的沖擊力（圖7），在層數(shù)一定時(shí)，三向織物具有較高的比沖壓力，具有較好防刺性能。三向織物被施加載荷的過程中，其組織結(jié)構(gòu)由三個(gè)方向構(gòu)成，則承受載荷的方向?yàn)槎噍S，可以吸收更多的能量，三向織物的各向同性也保持了織物面內(nèi)所有方向上的初始模量相似。對比單層和多層三向織物的防刺性能，其變形原理如圖8所示，多層結(jié)構(gòu)增加了防護(hù)織物的舒適性，可以吸收更多的穿刺能量，實(shí)現(xiàn)更好的防刺效果。

織物穿刺的失效機(jī)理不同于彈道沖擊，較高的紗線間摩擦將在彈道撞擊期間吸收更多的能量。在使用鋒利刀片的情況下，高摩擦力將在穿刺時(shí)約束紗線，以提供足夠的阻力。如果目標(biāo)由多個(gè)層組成，則將吸收一些能量以克服層之間的摩擦，這取決于織物之間的摩擦，以及在穿透過程中刀插入織物時(shí)力的失效行為。

2.6 抗沖擊性能

采用高斷裂能力、高強(qiáng)度的纖維和高密度的組織結(jié)構(gòu)制備織物可以獲得較強(qiáng)的抗沖擊性能。當(dāng)三向織物受到?jīng)_擊時(shí)，每一個(gè)紗線交織點(diǎn)都有三根不同方向的紗線承受沖擊，增強(qiáng)了織物整體承受沖擊的能力，這種結(jié)構(gòu)可以用于工業(yè)、國防、航空航天等行業(yè)當(dāng)中。在沖擊試驗(yàn)測試中，一種是低速沖擊試驗(yàn)[33]，該試驗(yàn)可在落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)儀上進(jìn)行。另一種是高速沖擊試驗(yàn)[34]，高速沖擊試驗(yàn)可以選用合適型號槍支和子彈保持一定距離對織物進(jìn)行射擊;也可以采用空氣炮的形式對織物進(jìn)行沖擊，當(dāng)一側(cè)儲氣罐中的氣壓達(dá)到一定值后，就可以推動彈體對夾持在另一側(cè)織物進(jìn)行撞擊。

Messiry等[35]對不同種類的織物進(jìn)行了彈道測試，如圖9所示。試驗(yàn)中采用多種類型纖維進(jìn)行平紋組織、針織線圈組織、三向組織這三種組織的織造，并疊層建立多層的織物。沖擊試驗(yàn)測試中，采用多層不同的織物來進(jìn)行試驗(yàn)以分析織物受到子彈沖擊時(shí)的能量變化。結(jié)果表明，雖然三向基礎(chǔ)組織中的孔洞會導(dǎo)致子彈更快穿過織物，但更為緊密的結(jié)構(gòu)則會降低子彈在織物中運(yùn)行的速度，增強(qiáng)抗沖擊性能。

3 三向織物復(fù)合材料（TWFC）力學(xué)性能

3.1 拉伸性能

周紅濤等[36]研究了三向織物在復(fù)合材料中的偏軸拉伸性能。試驗(yàn)中采用錦綸66長絲進(jìn)行平紋織物與三向織物的織造，使用橡膠制成復(fù)合材料，采用夾距50 mm，拉伸速度100 mm/min，將材料進(jìn)行7個(gè)不同方向的拉伸測試，如圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，三向復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率比平紋復(fù)合材料的變化較小，隨著角度的變化，三向織物復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率變化程度較小，拉伸性能不同于平紋織物復(fù)合材料的各向異性，表現(xiàn)出各向同性。因此，三向織物適用于柔性增強(qiáng)復(fù)合材料中。Dano等[37]研究了碳纖維三向復(fù)合材料的拉伸性能。試驗(yàn)中采用碳纖維進(jìn)行三向編織，用熱固性樹脂制成復(fù)合材料，如圖11所示。結(jié)果表明，該復(fù)合材料的性能不是各向同性的，在軸向紗線的方向上，與垂直于該方向的方向相比，具有更大的韌性。畢華陽[38]對碳纖維三向復(fù)合材料進(jìn)行0°和90°兩個(gè)方向的拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)0°方向的斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長率小。易淼[39]制備了碳纖維三向織物，孔洞中有樹脂填充和無樹脂填充的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明孔洞中有樹脂填充的材料在經(jīng)紗方向上呈現(xiàn)一定規(guī)律的裂紋，無樹脂填充的材料在交織點(diǎn)處斷裂。碳纖維三向結(jié)構(gòu)可以提供足夠的剛度和強(qiáng)度，并應(yīng)用于空間天線的反射器中，可以滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步減輕了質(zhì)量，降低了成本。

3.2 撕裂性能

沙迪等[40]采用碳纖維織造三向織物，采用熱壓成型技術(shù)制備碳纖維三向環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研究不同紗線間距對材料力學(xué)性能的影響，如圖12所示。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)紗線間距一定時(shí)，材料在0°方向的撕裂強(qiáng)力高于90°方向，并且其綜合力學(xué)性能優(yōu)于碳纖維二向復(fù)合材料，最高撕裂強(qiáng)度可以達(dá)到221.7 Mpa，撕裂強(qiáng)力為1 kN。

3.3 彎曲性能

Kueh等[41]對三向編織織物復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行研究。賈明皓等[42]研究了玄武巖纖維三向織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的彎曲性能，在普通水泥基載荷-位移曲線的彈性、裂縫擴(kuò)展、破壞3個(gè)階段上增加了復(fù)合區(qū)域的承力和斷裂4個(gè)階段，研究表明三向織物增強(qiáng)水泥的最大彎曲載荷是素混凝土的3倍，彎曲模量是2倍左右。在三向織物基礎(chǔ)上與復(fù)合材料結(jié)合，增加了三向織物的臨界屈曲載荷，由于手工編織三向織物存在不可控的設(shè)計(jì)缺陷，而復(fù)合材料降低了這種缺陷導(dǎo)致的強(qiáng)力變化，將這種復(fù)合材料用于高性能航天器中，具有更高的面外剛度、強(qiáng)度和韌性。

3.4 頂破性能

沙迪等[40]研究了不同紗線間距的碳纖維三向織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的頂破性能，隨著紗線間距尺寸的增加，復(fù)合材料的孔洞尺寸增大，頂破強(qiáng)力逐漸減小。但單位面積上三向織物的交織點(diǎn)更多，覆蓋系數(shù)高，分散載荷的能力強(qiáng)，其頂破強(qiáng)力更優(yōu)。

賈明皓等[42]將手工編織的三向玄武巖纖維織物與增強(qiáng)水泥基制成復(fù)合材料并研究其頂破性能，三向織物在持續(xù)受力過程中，各個(gè)方向荷載受力均勻，并且三向織物的頂破峰值應(yīng)力相比二向織物提高了2.7倍，三向織物在被頂破時(shí)所需力更大，其頂破位移也更大，其耐頂破性能更好。

3.5 抗沖擊性能

三向織物相較于傳統(tǒng)織物更適用于作為防彈防刺材料[43]。Xuan等[44-45]通過氣槍沖擊試驗(yàn)對三向復(fù)合材料進(jìn)行研究，試驗(yàn)材料采用樹脂進(jìn)行復(fù)合材料填充，對比26層的碳纖維緞紋復(fù)合材料和碳纖維三向復(fù)合材料的彈道沖擊性能，材料沖擊損傷后的區(qū)域如圖13所示。發(fā)現(xiàn)三向復(fù)合材料的受損傷區(qū)域?yàn)榻茍A形，緞紋編織復(fù)合材料的損傷區(qū)域近似為菱形，并且三向編織復(fù)合材料有較好的抗沖擊能力，其最大抗沖擊力較高。Justyna等[46]對樹脂浸漬的平紋和三向織物的防彈性能進(jìn)行研究，分別對6、12、20、24層和30層的織物進(jìn)行彈道試驗(yàn)測試。在彈道測試中，為了捕捉材料受到破壞的過程，采用能夠以1 000×1 000像素的分辨率每秒捕獲100萬幀圖像的攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。試驗(yàn)結(jié)果表明，在子彈的殘留速度方面，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬都證明相同層數(shù)和面密度下，三向織物高于平紋織物，兩種材料在進(jìn)行阻擋子彈穿過所需的層數(shù)上是相似的;在應(yīng)力分布方面，平紋織物構(gòu)成的復(fù)合材料，應(yīng)力分布的面積呈現(xiàn)四點(diǎn)星形（圖14（a）），而三向織物構(gòu)成的復(fù)合材料呈現(xiàn)六點(diǎn)星形（圖14（b）），應(yīng)力覆蓋的面積更大。

4 織物模型建立

4.1 織物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型

Wang等[47]利用遺傳算法對織物的編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的抗拉強(qiáng)度和剛度，并找出了具有較高的剛度與強(qiáng)度的超輕結(jié)構(gòu)，可生產(chǎn)柔性材料。Rao等[48]建立并分析了三向織物面內(nèi)結(jié)構(gòu)和橫截面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖15所示，通過確定紗線的直徑和經(jīng)緯紗夾角進(jìn)一步確定材料的孔隙率，分析了碳纖維三向復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。Schwartz等[22]提出一種單胞模型，為三向基礎(chǔ)組織的最小結(jié)構(gòu)單元，如圖16所示。Bai等[49]建立了可用于預(yù)測三向織物復(fù)合材料拉伸模量和剪切模量的模型，充分考慮三組紗線之間的相互作用，其單胞模型如圖17所示。Zhao等[50-51]建立了一種結(jié)構(gòu)單元，是在最小結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)上衍生而來，由15個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的超級元素1，是含有六個(gè)相同的8節(jié)點(diǎn)等參數(shù)元素和三個(gè)相同的4節(jié)點(diǎn)等參疊層元素。在超級元素1的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了元素連接，并充分考慮了加捻復(fù)合紗線的幾何和材料特性開發(fā)出了新的超級元素2，這兩種結(jié)構(gòu)可用于預(yù)測三向復(fù)合材料的機(jī)械性能。

4.2 織物力學(xué)性能模型

Bai等[52]提出了一種細(xì)觀力學(xué)曲梁模型，該模型考慮了（0°±60°）三個(gè)軸的紗線之間的相互作用，預(yù)測了三向編織織物復(fù)合材料的拉伸模量。Ren等[53]對三向織物建立ABAQUS有限元模型（圖18），用于研究織物的拉伸和破裂強(qiáng)度。經(jīng)紗為黃色和綠色并以60°交織，緯紗為藍(lán)色。對材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界定義，以此模型進(jìn)行三向織物的橫向拉伸和縱向拉伸的有限元分析，并與測試值進(jìn)行對比，結(jié)果誤差較小，吻合效果好。Zhou等[54]利用有限元研究了該三向編織碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的面外變形行為，如圖19所示。Damato[55]提出了一種基于有限元代碼的編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的方法，通過有限元進(jìn)行材料的受力分析，可以觀察到結(jié)構(gòu)損壞的位置與情況。建立三向復(fù)合材料基本單元和有限元模型，如圖20所示。該模型通過建立單根紗線模型的不同位置組合而成，通過有限元數(shù)值分析，觀察到軸向紗線對整體剛度的影響取決于該方向紗線的數(shù)量，而傾斜角為60°的紗線對整體剛度的影響取決于織物的尺寸。

Mitchell等[56]建立三層縫合玻璃纖維織物有限元模型，該模型在劃分網(wǎng)格時(shí)采用了適用于模擬三向織物的棋盤格網(wǎng)格（圖21），用于研究材料的拉伸、剪切和摩擦性能。Garcia-Carpintero等[57]對三向編織復(fù)合材料的斷裂行為進(jìn)行研究，通過模型方法來模擬材料不同層面的斷裂。試樣在試驗(yàn)中沿著縱向和橫向的材料方向施加力的作用，并通過這種方式使得材料的裂紋沿著垂直和軸向方向進(jìn)行傳播。觀察材料的斷裂情況，所有的紗線均通過纖維斷裂，且橫向的斷裂角要大于縱向的。

5 結(jié) 語

在織物組織結(jié)構(gòu)表達(dá)方面，機(jī)織物可以由組織圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)表達(dá)，而三向組織沒有明確的表達(dá)方式，這也導(dǎo)致了三向織物在織造上的困難;在設(shè)計(jì)手段方面，機(jī)織物可以采用人工繪制組織圖，或者采用機(jī)織CAD方式進(jìn)行更為直觀、逼真的設(shè)計(jì)，但三向織物只能采用手工繪制織物圖的方式;在織造方式方面，機(jī)織物可機(jī)械化大批量進(jìn)行織造，三向織物雖可以由三向織機(jī)進(jìn)行織造，但三向織機(jī)早在20世紀(jì)80年代就進(jìn)行了實(shí)踐探索，由于其工藝復(fù)雜性、織機(jī)結(jié)構(gòu)繁瑣、織造過程復(fù)雜，在實(shí)際機(jī)器生產(chǎn)工程困難，大批量的設(shè)備開發(fā)仍存在一定難度，因此生產(chǎn)織造三向織物大多數(shù)仍使用手工編織的方法，手工編織中不可控的人為因素對織物性能也會造成一定的影響。首要解決的問題為三向織物的結(jié)構(gòu)表達(dá)及設(shè)計(jì)方面，將這兩個(gè)方面解決才能更好地將具有優(yōu)異性能的織物結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，才能在研究織物性能方面更便捷、有效。

目前在三向織物的性能研究方面，大多采用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與機(jī)織物進(jìn)行對比的方法進(jìn)行研究，而三向織物存在多種織物結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)的性能缺乏深入研究。本文探討了三向織物及其復(fù)合材料在拉伸、撕裂、彎曲、防刺、沖擊等方面的性能，通過有限元模擬技術(shù)的廣泛使用，可以將織物在力的作用下，使織物不同程度的變形和破壞表現(xiàn)出來。未來三向織物將得到更大的發(fā)展，研究內(nèi)容多元化，將會開發(fā)出更多適合產(chǎn)品需求的材料。

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