三维纺织复合材料的构效分析是揭示其“材料－结构－性能”关联规律的关键手段，通过表征细观结构的几何拓扑与工艺缺陷，精准预测其力学响应与多尺度损伤演化机制，建立材料“微细观结构－宏观性能”的定量映射关系，从而突破传统经验设计瓶颈，推动复合材料从“试错式”研发向“预测驱动式”设计的转变。常用的构效分析模型有纤维嵌入模型、体素化模型及多尺度分析模型等。
纤维嵌入模型
传统的纺织复合材料有限元模型一般都采用实体单元对纱线和基体建模，而增强体复杂的纤维结构给有限元网格划分带来了巨大的挑战。与传统建模方法不同，虚拟纤维嵌入单元建模是通过嵌入单元技术将梁杆单元或者实体单元嵌入到实体单元中建立纤维增强体素单元，根据体素单元内虚拟纤维的体积分数与取向分布，采用体积平均法确定各体素单元的等效刚度特性。该方法分别对纤维和基体划分网格，自动协调纤维和基体单元的节点自由度，降低了网格划分的难度，提高了有限元建模效率。
三维机织复合材料纤维嵌入模型建模流程
体素化模型
复合材料体素建模是一种基于三维像素（体素）网格建立复合材料有限元仿真模型的方法，该方法通过将纱线和基体等组分材料离散化为规则立方体单元（体素），解决了传统网格划分方法在处理可变纱线截面时易产生网格畸变的问题，对复杂纤维结构（如3D编织复合材料中可变纱线截面、非线性路径）有出色适应性，在复合材料弹性性能预测方面具有较高的精度，但是体素化会形成阶梯状几何边界，导致纱线接触区应力振荡和局部应力场失真，进而可能会引发虚假损伤预测。
在纺织复合材料体素化模型建立时，纺织结构代表性单元的几何输入一般来源于Micro-CT扫描重构和数字化建模。Micro-CT扫描重构技术能够通过高分辨率三维图像精确再现复合材料内部纤维结构的真实几何特征（包括纤维取向、分布等），并能结合深度学习工具自动化处理图像，生成高保真数字结构孪生体，但是其在图像分割和后处理时成本较高，对于低对比度图像（如碳纤维/树脂界面）需复杂算法分割，易引入误差。总体而言，Micro-CT重构建模在真实性方面优势突出，但其计算效率与数据处理仍是挑战。而对于三维纺织结构的数字化建模，目前已经形成了比较成熟的建模软件，如TexGen、WiseTex、Digimat等，相关软件在织物设计和模型建立上形成了成熟的方法和体系，得到了学术界和产业界的认可。但其仍存在一些局限性，如只能用于常规的规则织物建模，建立的模型均为理想化模型，其纱线路径和横截面形状只能为规则图形，所以目前仍然缺乏一种能够反应真实纱线形态的参数化建模软件。
三维机织复合材料体素化模型建模软件及弯曲疲劳仿真
多尺度分析模型
三维纺织复合材料的损伤演化往往会跨越多个尺度。初始损伤发生在纤维束内的微观尺度，表现为纤维/基体界面脱粘、束内基体开裂和纤维断裂。随后，损伤扩展至单胞结构的细观尺度，涉及纱线间基体分层和纱线断裂，损伤累积导致宏观结构失效。因此，采用多尺度分析方法来关联微观、细观和宏观尺度上的几何特征、应力/应变场状态和损伤信息至关重要。常见的多尺度分析方法包括顺序多尺度分析、并发多尺度分析和数据驱动的多尺度分析。多尺度分析步骤主要包括：首先通过实验标定微观组分（碳纤维、树脂、界面）的力学性能；随后在微观尺度上建立一个包含随机分布碳纤维、环氧树脂基体及界面的单向纱束模型，用于预测纤维束的整体力学性能；进而在细观尺度，基于三维编织几何拓扑建立包含纤维束（赋予由微观均匀化所得等效属性）和树脂基体的单胞模型，据此进行基于微观均匀化属性的细观尺度数值模拟；在宏观尺度，则基于细观尺度均匀化获得的等效性能，模拟复合材料试样的拉伸、弯曲等性能；最终，将细观模型和宏观均质模型的数值模拟结果与实验结果进行对比验证。
传统的三维机织复合材料由于面内仅有沿 0°方向和90°方向的纱线，导致其面内剪切性能相对薄弱而不能应用于如接头腹板、扭转舵轴等对剪切性能要求较高的复合材料结构件中。为了克服上述三维机织复合材料的固有缺陷，研究人员通过改变纱线取向和纱线分布来研发新型织物结构。通过在三维机织结构中引入斜向纱，形成面内准各向同性结构，可大大改善其抗剪抗扭性能。
多向三维机织复合材料多尺度分析建模框架
来源：纺织导报
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