纺织增强复合材料在面内力学性能、抗冲击性和设计灵活性方面优于传统单向层合材料，因此在航空航天和轨道交通等领域应用日益广泛。三轴编织织物（TWF；Triaxial Woven Fabric）作为一种具有超薄、轻质、抗爆裂和面内准各向同性特性的结构形式，尤其适用于天线和超薄机翼蒙皮等轻质可折叠结构。然而，当前对三轴向编织织物复合材料（Triaxial Woven Fabric Composites；TWFC）在多角度拉伸下的失效行为研究仍较为缺乏，尤其是对其细观损伤机制和纱线间相互作用的理解不足，现有模型往往过于简化，忽略了纱线几何特征和界面效应，限制了对其损伤演化过程的准确预测。
针对这些问题，东华大学、民航复合材料中心、江南大学、纺织科技教育部重点实验室的研究团队在Composites Science and Technology期刊发表了研究成果，该研究通过实验与数值模拟方法，系统揭示了三轴向编织复合材料在0°、15°和30°偏轴拉伸下的失效行为，发现材料具有准各向同性特征，且建立的细观有限元模型能准确预测其损伤演化过程，为高性能轻量化复合材料设计提供了重要依据。论文标题为”Experimental and numerical investigation of tensile failure behavior of triaxial woven fabric composites”。
该研究通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了三轴向编织织物复合材料在0°、15°和30°偏轴角度下的拉伸行为与失效模式。文章采用数字图像相关（DIC）技术全程监测试样表面全场应变分布，捕捉损伤起始与扩展过程；同时建立了保留织物几何特征并引入纱线间粘结效应的全尺度细观有限元损伤模型，有效克服了以往模型在纱线相互作用和界面模拟方面的不足。模型通过实际截面图像验证其几何合理性，并采用粘性单元模拟纱线间分层损伤，显著提升了模拟的真实性和预测精度。
研究结果表明，三类试样在线弹性阶段的刚度差异较小，表现出明显的准各向同性特征。随着偏轴角度增大，极限载荷和断裂位移显著下降，例如T0（0°偏轴角度下）的极限载荷为4388.66 N，而T30（30°偏轴角度下）仅为632.61 N，降幅达85.6%；T0的断裂位移最大，T15（15°偏轴角度下）最小，T30居中；弹性模量方面，T0最高，T30最低，但差异相对较小。DIC应变场显示，T0中沿拉伸方向的四根纱线主导受力，而T15和T30中纱线发生旋转和剪切变形，导致非线性响应和最终失效。数值模拟与实验结果高度一致，极限载荷误差最大为19.3%（T0），最小为5%（T30），验证了模型的有效性。
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极限载荷 |
T0: 4388.66 N→ T30: 632.61 N |
↓85.6% |
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断裂位移 |
T0: 最大位移 → T15: 最小位移 |
↓显著 |
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模拟误差  |
T0误差: 19.3% → T30误差: 5% |
↓74% |
该研究通过实验与模拟手段，系统揭示了三轴向编织织物复合材料在0°、15°和30°偏轴拉伸下的失效行为与损伤机制。结果表明，随着偏轴角增大，材料力学性能逐渐退化，但弹性阶段刚度差异不大，体现出准各向同性。T0的破坏源于承重纱线的纤维断裂和纤维-基体脱粘，而T15和T30则易在远离拉伸方向的纱线中形成扭结带并发生剪切式破坏。模拟结果与实验高度吻合，验证了模型在预测损伤演化和界面效应方面的有效性。该研究不仅深化了对三轴向编织织物复合材料失效机制的理解，还为高性能轻量化复合材料的设计与优化提供了重要理论支撑和工程参考。
图1 碳纤维TWF及其复合材料
图2 试验示意图与样本配置
图3 TWFC几何模型细节
图4 （a–c）实验与模拟载荷-位移曲线对比
图5 （a）T0高应变区域；（b）T0表面DIC应变场；（c）T截面变形机制
图6 （a）T15高应变区域；（b）T15表面DIC应变场
图7 （a）T30高应变区域；（b）T30表面DIC应变场
图8 T0最终破坏形态实验与模拟对比
图9 （a）T15破坏前模拟结果；（b）T15破坏后模拟结果
图10 （a）T15初始损伤实验与模拟对比；（b）T15最终破坏实验与模拟对比
图11 T30最终破坏实验与模拟对比
原始文献：
Zhang, H., Huang, L., Li, C., He, X., Li, Q., Sun, J., & Li, W. (2025). Experimental and numerical investigation of tensile failure behavior of triaxial woven fabric composites. Composites Science and Technology, 270, 111303.
原始文献：
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111303