关于3D间隔织物多尺度力学行为及其网格结构弯曲特性的研究

《Journal of Building Engineering》：Study on Multi-scale Mechanical Behavior of 3D Spacer Fabric and Bending Properties of Its Mesh Structures

　　•为了 garant 营运可行性，提出了一种利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的原位纤维机械性能监测方法，并以3D间隔织物网格作为应用范例进行了详细说明。•对复合网格进行了弯曲测试，在此过程中，所提出的传感方法能够实时、无损地监测弯曲载荷下关键内部区域的应变演变。•基于经过验证的有限元框架，进行了一项全面的参数研究，以阐明关键设计参数（包括纤维束轨迹、编织角度和横截面几何形状）对弯曲性能的影响机制。

引言
纤维增强聚合物（FRP）复合材料由于其高比强度、高比模量、优异的疲劳抗性以及很强的设计灵活性，在航空航天、造船、铁路运输和可再生能源等需要轻量化设计和高承载效率的工程领域得到了广泛的应用[1]。随着FRP系统的不断发展，三维间隔织物复合材料作为一种先进的三维编织结构形式，克服了传统二维层压材料的基本局限性——后者中的载荷传递主要依赖于基体树脂。如图1所示，这种材料通过经向、纬向和厚度方向上纤维束的协调交织形成了连续的空间承载网络，从而实现了优于传统层压FRP复合材料的抗冲击损伤能力和抗分层性能。在复杂的载荷条件（如弯曲和冲击）下，3D间隔织物网格结构的损伤演变和失效机制非常复杂。为了揭示其机械行为，许多研究结合了实验测试和有限元模拟。在实验方面，准静态测试（如弯曲和压缩测试）是性能评估的基础。Azadian等人[3]研究了用3D集成纬编间隔织物增强的复合材料的三点弯曲行为，发现横截面形状影响了弯曲刚度和失效模式。Yang等人[4]通过引入轻量化的集成双间隔结构，提高了峰值弯曲载荷、弯曲刚度和能量吸收能力。与泡沫材料相比，间隔织物在低应力水平下显示出更高的能量吸收效率。近年来，随着扫描电子显微镜（SEM）、超声C扫描、微计算机断层扫描（Micro-CT）和数字图像相关性（DIC）技术的广泛应用，相关研究也取得了 banyak成果。Abdellahi等人[6]使用SEM分析了压缩失效形态和弯曲断裂机制，并通过三点弯曲测试评估了不同间隔纱线取向角对弯曲强度的影响。Umair等人[7]利用超声C扫描技术进行了剥离强度测试，并量化了层间粘结性能。Erdem和Yang等人[8],[9]基于低速冲击测试结合超声C扫描和Micro-CT观察研究了损伤传播。然而，这些传统的机械测试仍然无法穿透材料并准确测量关键内部区域的应力和应变场。在数值模拟方面，多尺度有限元方法已成为揭示介观机制的重要工具。Zhao等人[10]为3D编织间隔复合材料建立了一个多尺度弹塑性损伤模型，并将其与实验结果进行比较，验证了其能够有效模拟和揭示结构损伤机制。目前的研究还开发了基于微观结构的有限元模型[11],[12]、多尺度建模方法[13],[14]以及从弯曲数据中推导拉伸本构参数的逆向分析技术[15]。参数研究进一步明确了间隔纱线倾斜角和直径对压缩和剪切性能的调节作用[12],[16],[17]。根据以上分析，大多数现有研究仍停留在宏观载荷-位移曲线和最终失效形态的层面，而许多模型缺乏使用材料内部的原位和实时实验数据进行充分校准和验证。因此，对于不同配置下的3D间隔织物的机械响应、变形特性和演变规律仍了解不足，导致材料设计和工程应用缺乏精确的理论基础，阻碍了其性能潜力的充分发挥[18]。因此，需要建立一种可以嵌入材料内部并实时监测其机械状态的方法，并将该方法与数值模拟结合起来，以实现3D编织复合结构的精确设计和性能改进。
结构健康监测（SHM）通过集成传感网络成为复合结构损伤诊断、服役状态评估和寿命预测的重要技术途径[19],[20]。对于纤维增强复合材料，常用的监测方法可以根据测量位置、实时能力、内部应变获取能力和侵入性进行分类。这些方法主要包括表面应变计、数字图像相关性（DIC）、柔性传感器、超声检测和嵌入式光纤布拉格光栅（FBG）传感器，如表1所示。
表面应变计成本低廉、操作简单且能够实现实时测量，但其测量位置仅限于结构表面，难以反映复合材料内部纤维束区域的实际应变状态。DIC可以提供非接触式的全场表面形变测量，但依赖于光学可见性和相机布置，通常不适合用于嵌入式区域或内部纤维束的应变监测。柔性传感器可以通过压阻式、电容式或压电式响应来检测结构变形，具有重量轻、适应性强和部分可嵌入的优势。然而，信号稳定性、校准漂移以及对电磁干扰的敏感性可能限制了它们在复杂服役环境中的应用[21],[22]。超声检测是一种主动的无损检测方法，通过波的传播、反射和衰减特性来识别内部缺陷，但通常需要协调的驱动器-接收器布置，并且严重依赖信号解释[23]。声发射监测是一种被动损伤事件检测技术，可以实时监听材料损伤过程中释放的瞬态弹性波，用于识别损伤的起始和传播过程。然而，其在量化应变和区分多个信号源方面的能力仍然有限[24]。相比之下，嵌入式FBG传感器可以在复合材料成型或固化之前放置在内部纤维束区域。通过跟踪布拉格波长变化，它们能够实时测量应变变化，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强以及能够获取局部内部应变响应等优点[25]。在制造过程中，FBG传感器可用于监测固化过程中的残余应力形成和演变[26],[27]。在服役期间，它们可以捕捉关键内部区域的应变变化，为从制造到服役的复合材料结构提供连续状态感知的技术基础。因此，本研究采用嵌入式FBG传感器来监测3D间隔织物网格结构内部纤维束区域的应变，并将监测结果与有限元模型结合以验证和解释机械响应。需要注意的是，嵌入式FBG测量的可靠性取决于传感器放置质量、界面耦合和应变传递校准。所提出的嵌入式FBG方法的主要优势不在于它优于所有SHM技术，而在于它适用于内部、实时和无损的应变监测。
为了解决监测复合材料内部机械性能的问题，本研究从工程可操作性的角度提出并系统地验证了一种针对3D编织复合结构的FBG监测方法，以3D间隔织物网格结构作为应用示例。然后对3D间隔织物复合材料进行了弯曲测试，并使用所提出的方法实现了弯曲载荷下关键内部位置的应变演变的原位和实时监测。随后，基于实际的编织结构建立了有限元模型，并使用FBG监测获得的实际应变数据对模型进行校准和验证，从而建立了一个可靠的数值模型。在此基础上，使用经过验证的模型进行了系统的参数分析，以研究关键设计参数（如纤维束取向、编织角度和横截面几何形状）对弯曲性能的影响。

• 旨在确保操作可行性，提出了一种利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器的原位纤维机械性能监测方法，并以3D间隔织物网格作为应用范例进行了详细说明。
• 对复合网格进行了弯曲测试，在此过程中，所提出的传感方法实现了弯曲载荷下关键内部区域应变演变的实时、无损监测。
• 基于经过验证的有限元框架，进行了全面的参数研究，以阐明关键设计参数（包括纤维束轨迹、编织角度和横截面几何形状）对弯曲性能的影响机制。