Deformation Mechanisms of Three-Dimensional Angle-Interlock Preforms

想象一下，试图将一张平整的纸完美地包裹在一个篮球上。纸张会产生阻力；它想要保持平整，如果你强行使其弯曲，它就会起皱或撕裂。现在，想象那张纸不是普通的纸，而是由数千根交织的碳纤维组成的厚重织物，旨在成为喷气发动机或航天器的骨架。这种材料极其坚固，但如何让它在不失效的情况下呈现复杂的曲线形状，是现代工程领域最艰巨的挑战之一。这种织物并非单一的固体，而是一个由线条组成的网格，这些线条可以滑动、旋转和弯曲，但只能以特定的方式进行。如果线条被卡住或被迫进入其无法承受的形状，最终的部件将会变得脆弱或报废。工程师需要在切割材料之前，准确预知这种织物的行为方式，但预测其运动就像是在风暴中预测一颗沙粒的天气一样困难。

来自天宫大学的一支研究团队及其中国多家行业合作伙伴，在解决这一难题方面迈出了重要一步。他们专注于一种被称为“三维角锁预成型体”的特定织物。与普通的平面织物不同，这种材料的编织方式使得线条不仅在左右和前后方向延伸，还通过织物的厚度方向进行上下穿插。这创造了一个稳固的、相互锁定的结构，比标准的层叠材料更不易散架。研究人员希望了解这种厚实的、三维结构的织物在被压制成曲面（即称为“成型”）时究竟是如何变形的。为此，他们并没有仅仅靠猜测或依赖简单的经验法则，而是构建了一个复杂的数字模型来模拟织物的物理特性，将其视为一种能够以复杂方式进行拉伸、挤压和扭转的连续整体材料。

团队首先在实验室中对真实织物进行了测试，以观察它在不同作用力下的反应。他们拉伸织物以观察其伸展程度，从上方挤压以观察其压缩程度，并对其进行扭转以观察线条如何在彼此之间旋转。他们发现，织物的表现高度依赖于受力的方向。当受到拉力时，线条会变直并变得僵硬；当受到挤压时，线条间的微小间隙会闭合，材料变得难以压缩；当受到扭转时，线条会相互滑动，但仅限于一定限度，超过该限度后，它们会锁定在一起并抵抗进一步的运动。通过仔细测量这些反应，研究人员确定了描述织物行为所需的特定数值。随后，他们将这些数值输入计算机程序，创建了一个虚拟版本的织物，可以在模拟环境中进行测试。

为了验证数字模型的准确性，研究人员进行了一项现实世界的实验。他们取了一块正方形的碳纤维织物，并将其压向一个半球形圆顶，就像把一块平整的布推过一个碗的顶部一样。他们密切观察织物的移动情况、推动其下压所需的力以及线条的位移。他们将这些现实世界的观察结果与计算机模拟的结果进行了对比。两者匹配得非常出色。模型正确预测了成型所需的力，峰值力的误差仅为约15%。更重要的是，它准确展示了织物在哪里发生扭转以及线条如何旋转。在实际实验中，织物在平坦边缘与曲面圆顶交界处扭转最为剧烈，最大扭转角达到约37度。计算机模型在同一位置预测的峰值为34度，证实了该数字工具能够洞察材料内部的变化。

研究表明，这种织物适应曲面的主要方式是线条在织物平面内相对于彼此进行旋转，这被称为“面内剪切”。随着织物被推向曲面，正方形的线条网格会转变为菱形，从而使材料在不拉伸线条本身的情况下覆盖表面。然而，研究人员还发现了一种次级的、三维的运动。在曲线变化最剧烈的过渡区域，线条还会沿着织物的厚度方向进行轻微的上下弯曲。这种“面外”运动有助于织物顺应最紧凑的曲线部分，起到类似铰链的作用，使材料能够更平滑地贴合形状。如果没有这种细微的弯曲，织物很可能会产生褶皱或无法完全贴合模具表面。

团队还测试了如果改变初始线条方向会发生什么。他们发现，改变线条的初始角度并不会改变织物的整体扭转程度，但会改变扭转发生的位置。如果线条与模具边缘对齐，扭转会集中在角落；如果旋转了线条，最大扭转区域也会随之移动，以跟随新的线条方向。这意味着，工程师可以通过简单地改变铺设材料的方式，来控制织物变形的位置。这一见解对于设计需要在特定方向具备高强度的部件至关重要。研究人员总结道，他们的新模型提供了一种可靠的方法来模拟这些复杂的成型过程，为优化这些先进材料的成型工艺——以用于下一代高性能飞机和载具——开辟了一条清晰的路径。