1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着科技的快速发展以及人类社会的不断进步，传统材料越来越难满足人们在各个方面的需要。复合材料是指人们使用特定的方法将性质不同的两种或者两种以上材料组合所形成。随着复合材料成型技术的不断发展以及现代社会中复合材料在各个领域的大规模应用，复合材料已经与无机非金属材料、高分子材料、金属材料并列而成为四大材料体系之一[1]。
以纤维增强树脂基复合材料为代表的高性能复合材料具有疲劳寿命长、比强度高、比刚度大、比模量高、耐高温、阻尼特性好、抗冲击、可设计性强、成本低、工艺简单等各个方面的优点。增强纤维与树脂基体材料是纤维树脂基复合材料的主要组成成分，常见的增强纤维有芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维，常见的树脂基体材料主要有热塑性树脂和热固性树脂等。复合材料在交通运输、航空航天、建筑、体育器材等领域都有着广泛的应用。例如，国产大型客机 C919 在机翼前后缘、后机身、尾翼、翼身整流罩、雷达罩、翼梢小翼、活动翼面等结构上使用了复合材料，所使用复合材料的重量约占机体总重量的 11.5%[2]。空客 A380 中碳纤维复合材料的重量约占总重量的 22%，而各种复合材料的总重量约占机体总重量的 25%[3]。
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1.2 泡沫夹芯复合材料界面断裂破坏研究
由于复合材料的各向异性和面芯材料力学性能不同从而造成的界面应力集中；制造过程中材料不均匀、工艺不稳定等导致的残余应力或初始缺陷；以及泡沫夹芯复合材料在服役过程中的瞬时过载等因素都会导致泡沫夹芯复合材料在外部载荷的作用下容易在界面处出现裂纹。随着外部载荷的进一步作用，裂纹可能会沿界面继续进行扩展，或者发生转折在泡沫芯体中进行扩展并引起泡沫芯体的开裂。泡沫开裂和界面分层等现象会严重影响结构的承载能力，有时还会进一步引发整体结构的失效和破坏，从而大大影响结构的力学性能。
1.2.1 多相材料界面破坏及裂纹扩展模式研究
Hutchinson 等人[21]对界面裂纹的曲折破坏进行了早期的研究，给出了界面裂纹相位角与曲折破坏角之间的关系图，并提出了界面裂纹沿界面破坏和曲折破坏的判断准则。Lee 和 Krishnaswamy 等人[22]对双材料试件中平行于界面的亚界面裂纹的准静态扩展进行了相关的研究，发现材料的不均匀性以及载荷的不对称性等因素对界面裂纹扩展路径的影响很大。Becker 等人[23]对梯度材料中界面裂纹的曲折破坏行为进行了研究，结果发现裂纹往往倾向于向材料中柔度比较大的区域中进行扩展。Evans 等人[24,25]通过实验与理论分析相结合的方法对界面裂纹的扩展进行了研究，结果发现模态比对界面的断裂韧性影响很大。Belytschko 等人[26, 27]在 1999 年提出了扩展有限元的思想，其主要的特点是使用扩展有限元进行网格划分时可以忽略结构内部的不连续性，且有限元网格的划分方式对裂缝的扩展路径几乎没有影响。扩展有限元具有计算成本低且计算精度高，建模快捷简便的优点。近几年来，扩展有限元方法已经广泛的被用于研究界面裂纹的扩展问题。
1.2.2 泡沫夹芯复合材料界面开裂破坏研究
当泡沫芯体的密度以及强度比较大时，在外部载荷的作用下，泡沫夹芯复合材料界面处的裂纹往往会沿着面板与芯体之间的界面进行开裂。Carlsson 和Prasad 等人[28, 29]通过 DCB 实验研究了泡沫夹芯复合材料界面的断裂行为，并使用有限元仿真进行了模拟，研究了芯体厚度、预制裂纹长度以及芯体材料种类等参数对界面能量释放率以及界面应力强度因子的影响，结果发现当裂纹位于面板与胶层之间时所得到的应力强度因子比较大。孙士勇等人[30]通过在模型中使用虚拟裂缝闭合方法对泡沫夹芯复合材料的界面裂纹扩展过程进行了分析，模拟结果与实验结果比较吻合。Berggreen 等人[31]通过有限元方法研究了泡沫夹芯复合材料的芯体密度不同时界面裂纹的扩展行为，并采用实验进行了验证，结果发现：当不在界面处设置预制裂纹时，如果芯体密度比较大，裂纹可能会在复合材料面板内的层间界面上进行扩展，而芯体密度不大时裂纹会在芯体与面板之间的界面处进行扩展。孙直等人[32]通过非对称双悬臂梁实验研究了泡沫铝/碳纤维夹芯结构的界面破坏过程，并编制了扩展有限元单元的用户子程序，采用 Abaqus 软件对实验过程进行了模拟。
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2 基于 VARI 工艺的缝纫泡沫夹芯复合材料的制备方法
2.1 制备过程中所需要用到的材料
在缝纫泡沫夹芯复合材料的制备过程中，所需要用到的材料主要有玻璃纤维布、泡沫芯体、芳纶纤维缝线、树脂基体等。
1）玻璃纤维布
玻璃纤维主要由金属氧化物以及二氧化硅所组成。按照组成成分的不同，常用的玻璃纤维可以被分为无碱玻璃纤维（E-玻璃纤维）以及有碱玻璃纤维（A-玻璃纤维）两种。其中由于无碱玻璃纤维（E-玻璃纤维）具有密度低、抗腐蚀性能好、熔点高、强度高、绝缘性能好、弹性模量高等优点，在日常生活、工业生产、科学研究等领域都得到了广泛的应用，能占到增强材料的 90%。表 2.1 列举了常用的 E 系列玻璃纤维的基本性能。
本文制备缝纫泡沫夹芯复合材料时，所采用的玻璃纤维为南京玻璃纤维研究院生产的 EW-200 玻璃纤维，面密度为 200g/m2，厚度为 0.2mm。该型号的玻璃纤维在军工、船舶、航空航天等领域有着广泛的应用，且具有耐高温、延伸率大、强度高的特点。2
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2.2 缝纫泡沫夹芯复合材料预成型体的制备
由于复合材料的功能不同、服役条件不同以及可设计性强等特点，因此复合材料的成型技术也有很多种，目前比较常见的复合材料成型技术有：热压罐成型技术、低压接触成型技术、拉挤成型技术、自动铺放技术、RTM 成型技术等。
考虑到缝纫泡沫夹芯复合材料的预成型体具有一定的厚度，且泡沫芯体内部存在着难以浸润的缝线。最终选用 VARI 工艺来进行缝纫泡沫夹芯复合材料的成型。与其他复合材料成型技术相比，VARI 成型工艺具有成本较低、生产效率较高、可成型制品体积较大等优点。
当采用 VARI 工艺制备缝纫泡沫夹芯复合材料时，首先需要制备缝纫泡沫夹芯复合材料的预成型体。在国外泡沫夹芯复合材料的缝纫过程一般是通过大型工业缝纫机来完成的。且整个缝合过程都通过电脑程序控制，并通过改变程序可以实现不同角度、不同间距和不同行距的缝合过程。但是国外的大型缝纫机不容易引进，且成本较高。因此国内科研人员一般都通过自行设计缝纫设备或通过手工缝纫并采用适当的装置加以辅助的方法来完成泡沫夹芯复合材料的缝纫过程。
目前常用的缝纫方式主要有锁式缝纫方式、链式缝纫方式以及改进的锁式缝纫方式。其中，链式缝纫方式以及锁式缝纫方式在复合材料领域应用较少，而改进的锁式缝纫方式在复合材料领域应用较多。本文采用改进的锁式缝纫工艺来制备缝纫泡沫夹芯复合材料的预成型体。并考虑到成本问题，通过手工缝纫并采用适当的装置加以辅助的方法来完成泡沫夹芯复合材料预成型体的缝纫过程。为了控制缝纫的角度、间距以及行距，设计搭建了一套装置来实现改进的锁式缝纫方法。图 2.1 和图 2.2 分别为泡沫夹芯复合材料的缝纫流程示意图以及缝纫过程图。
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3 缝纫泡沫夹芯复合材料细观纤维柱破坏行为研究......................... 24
3.1 ITT 试件的制备及测试方法.................................... 24
3.2 试件破坏过程分析..........................................25
3.3 缝线粗细对试件破坏的影响..................................27
4 缝纫泡沫夹芯复合材料梁界面断裂破坏行为............................... 32
4.1 非对称双悬臂梁试件的制备及实验装置................................32
4.2 未缝纫试件与缝纫试件破坏过程对比...........................34
4.3 不同工艺参数对非对称双悬臂梁试件破坏过程的影响..............................36
5 基于扩展有限元的非对称双悬臂梁试件破坏过程模拟........................................ 44
5.1 扩展有限元法基本原理...........................44
5.1.1 扩充形函数................................44
5.1.2 虚拟节点法..................................46
5 基于扩展有限元的非对称双悬臂梁试件破坏过程模拟
5.1 扩展有限元法基本原理
基于第四章研究内容，由于泡沫芯体的密度比较低，从而导致试件界面处的裂纹首先往往会先以一定的角度偏转入泡沫芯体，然后再向前进行扩展。而传统界面单元主要用来分析裂纹沿界面的扩展，当采用传统的有限元方法来解决裂纹扩展问题时，对于裂纹的转折则需要重新划分网格，从而导致计算量较大，计算效率比较低。
1999 年，美国西北大学的 Belyschko 教授等人提出了一种在传统有限元基础上发展而形成的有限元分析方法，即扩展有限元法（XFEM）。在研究界面裂纹扩展问题时，与传统的有限元方法相比扩展有限元法具有一些明显的优点。因为扩展有限元法是在传统有限元方法的基础之上发展而形成的，从而也保留了有限元法的大部分优点。扩展有限元在模拟裂纹扩展时不需要重新对网格进行划分，
也不需要在裂纹尖端进行高密度的网格划分，从而大大增加了计算效率。在使用扩展有限元方法模拟裂纹的扩展时，不需要像其他的裂纹扩展方法一样需要预先设置裂纹的扩展路径，也不要求单元的边界必须和裂纹扩展时的界面相重合。且使用扩展有限元法进行网格划分时可以不用考虑结构内部的孔洞、裂纹、夹杂等几何不连续特征，从而使网格单元的划分仅与结构的外形有关。近几年来，由于扩展有限元法的这些突出的优点，许多科研人员在遇到界面裂纹扩展问题时常常会使用扩展有限元法来进行分析。
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6 总结与展望
6.1 总结
泡沫夹芯复合材料作为一种具有优异性能的轻质高强结构，目前在船舶、汽车、航空航天等领域都有着广泛的应用。但是由于制造过程中的工艺缺陷、生产服役过程中受到的撞击以及瞬时过载、面/芯材料力学性能的不同等因素。都会导致泡沫夹芯复合材料在服役过程中容易出现面/芯界面分层和芯体开裂等现象。开裂和界面分层等现象会严重影响结构的承载能力，有时还会进一步引发整体结构的失效和破坏，从而大大影响结构的力学性能。因此，对泡沫夹芯复合材料进行强化，对扩展泡沫夹芯复合材料的应用范围具有重要的意义。本文在查阅国内外文献的基础上，自行设计搭建了一套用于泡沫夹芯复合材料的辅助缝纫装置，可以实现不同角度和间距等缝纫参数的预成型体制备，进而通过 VARI 成型工艺获得了缝纫强化试件，讨论了成型工艺参数对试件脱模过程以及成型质量的影响。基于上述工艺过程，研究了单根缝线纤维柱的细观破坏行为，并详细探讨了缺胶以及缝线粗细对试件破坏行为的影响。接下来制备了缝纫泡沫夹芯复合材料的非对称双悬臂梁试件，将未缝纫试件与缝纫试件的破坏过程进行了对比，并讨论了不同工艺参数对缝纫泡沫夹芯复合材料界面断裂破坏的影响。最后在ABAQUS 中建立了非对称双悬臂梁的有限元模型，并将仿真结果与之前的实验结果进行了对比。本文通过实验与仿真相结合的方法对缝纫泡沫夹芯复合材料的界面断裂破坏过程进行了研究，对扩展泡沫夹芯复合材料的应用范围具有重要的意义，故本项课题是一项具有重要工程价值的研究工作。本论文主要得出的结论如下：
1）自行设计并搭建了一套缝纫辅助装置，用该装置制备了缝纫泡沫夹芯复合材料的预成型体，并讨论了 VARI 成型过程中的工艺参数对试件成型质量和脱模过程的影响。结果表明采用这套缝纫辅助装置可以实现不同缝纫工艺参数的预成型体的制备，该缝纫辅助装置具有成本低廉容易实现的特点。加入带孔隔离膜的试件比较容易脱膜，但是影响了树脂对缝线的浸润，缝纫角度对成型过程中缝线纤维柱的浸润程度影响较小。
2）制备了用于层间拉伸实验的缝纫泡沫夹芯复合材料单胞试件，研究了单根缝线纤维柱的细观破坏行为。试件的能量吸收性能、关键位移参数以及最大载荷都是随着缝线的变粗而基本上呈现出上升的趋势，但是试件的破坏模式对其也有一定的影响，导致了变化趋势的波动；缺胶试件由于缺陷的存在，试件最大破坏载荷和能量吸收性能均有所下降。
3）研究了缝纫与未缝纫的非对称双悬臂梁试件的破坏过程。发现未缝纫试件与缝纫试件的破坏现象比较相似，但缝纫试件的破坏过程更加复杂。通过研究不同工艺参数对非对称双悬臂梁试件破坏过程的影响，可知随着缝线的变粗以及缝纫间距的减小，试件的能量吸收性能和极限载荷都呈现出增大的趋势。缝纫间距越小试件中裂纹的初始扩展角度越大，且缝线粗细的变化对试件泡沫芯体中裂纹扩展路径的影响很小。缝纫间距较小，缝线较细试件的断裂次数较多。随着缝纫角度的减小，试件的断裂次数增多，试件中裂纹的扩展逐渐靠近上面板，试件所能承受的极限载荷以及能量吸收性能呈现出先减小后增大的趋势。
参考文献（略）