具有纱线旋转特性的碳纤维增强塑料（CFRP）的残余强度和压碎行为

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Residual Strength and Crushing Behavior of CFRP with Yarn Rotation

剪切损伤下PW-CFRP复合材料残余性能研究。采用Arcan夹具与蝴蝶形试样，通过65.6%、82%、98%峰值剪切载荷预损伤，结合DIC和CT扫描分析发现纤维重取向角度随损伤程度呈3°、7°、13°递增，拉伸残余强度下降10%、15%、36%，压缩下降4%、15%、42%。提出的yarn模型将纤维重取向与扩散损伤耦合，预测残余强度误差<10%，优于传统模型（误差>40%），并成功预测CFRP薄壁管在复杂剪切条件下的抗屈曲性能。

　　在复合材料研究领域，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的力学性能分析中，剪切损伤及其引发的纤维重新取向和纱线旋转对材料的残余性能具有显著影响。然而，这些现象在学术界和工程实践中仍存在诸多未解之谜。本研究通过创新性的实验设计和建模方法，系统地探讨了剪切损伤对CFRP层合板残余强度的影响，同时开发了一种新的基于速率的渐进损伤模型，用于更准确地预测材料在复杂应力状态下的力学行为。

研究中采用了一种定制化的Arcan夹具和蝴蝶形试样，以在单个试样上实现剪切损伤的诱导与力学性能测试。这种方法避免了传统测试中因试样切割而引入的潜在误差，同时也能够更精确地控制剪切损伤的程度。实验过程中，试样在65.6%、82%和98%的最大剪切载荷下受到剪切损伤，随后对其进行拉伸和压缩测试，以评估其残余强度。实验结果表明，随着剪切损伤程度的增加，材料的拉伸残余强度分别下降了10%、15%和36%，而压缩残余强度则下降了4%、15%和42%。这些数据清晰地揭示了剪切损伤对材料整体性能的负面影响，特别是在高剪切载荷下的表现更为显著。

为了进一步理解剪切损伤对材料内部结构的影响，研究团队结合了计算机断层扫描（CT）和数字图像相关（DIC）技术。这些非破坏性检测手段能够直观地捕捉到剪切损伤过程中纤维纱线角度的变化，分别对应于三种不同的预剪切载荷水平，即3°、7°和13°。这些角度变化不仅反映了材料内部的损伤演化过程，也为后续的建模工作提供了关键的物理依据。

基于上述实验数据，研究团队提出了一种新的基于速率的渐进损伤模型，即“纱线模型”。该模型在传统渐进损伤模型的基础上进行了改进，重点考虑了纤维纱线旋转对残余强度的影响。通过引入纱线旋转效应，该模型能够更准确地预测不同预剪切水平下的拉伸和压缩残余强度，其预测结果与实验数据的偏差均控制在10%以内，显著优于传统模型的预测偏差（超过40%）。此外，纱线模型还成功地预测了CFRP薄壁管结构在不同摩擦条件下的准静态压溃性能，显示出其在实际工程应用中的广泛适用性。

传统渐进损伤模型通常将材料行为简化为连续介质力学（CDM）框架，其核心在于弹性本构关系、损伤起始准则和损伤演化规律。然而，这些模型往往忽略了纤维纱线旋转这一重要因素，导致在预测材料在复杂应力状态下的性能时存在一定的局限性。本研究的纱线模型则通过将单层行为分解为独立的经纱和纬纱响应，分别采用基于速率的弹塑性渐进损伤法则进行描述，从而更全面地捕捉了剪切损伤过程中纤维纱线旋转、非均匀损伤累积以及材料性能退化等多方面的相互作用。

在模型开发过程中，研究团队特别关注了纤维纱线旋转与材料性能退化之间的耦合关系。他们发现，在剪切加载过程中，纤维纱线的旋转不仅影响了材料的刚度，还显著改变了其承载能力。因此，纱线模型在描述材料行为时，不仅考虑了传统的损伤演化机制，还引入了纤维纱线旋转的动态效应，使得模型能够更真实地反映材料在剪切损伤后的复杂响应。

为了验证模型的有效性，研究团队设计了一系列受控的预剪切实验，测试了不同损伤水平下的拉伸和压缩残余强度。实验结果与模型预测结果高度一致，进一步证明了纱线模型在预测材料性能方面的优越性。此外，通过模拟CFRP薄壁管结构在不同摩擦条件下的准静态压溃行为，研究团队还展示了该模型在实际工程结构中的应用潜力。这些模拟结果不仅为材料性能的预测提供了新的工具，也为复合材料结构的设计和评估提供了重要的理论支持。

除了实验验证，研究团队还通过有限元分析（FEA）对纱线模型进行了全面评估。FEA过程涵盖了多种加载条件，包括拉伸、压缩、剪切、剪切后拉伸和剪切后压缩。通过将实验数据与模拟结果进行对比，研究团队确认了模型在不同应力状态下对材料行为的准确描述能力。此外，模拟结果还揭示了剪切损伤对材料内部结构的复杂影响，包括纤维纱线的重新取向、矩阵裂纹的形成以及界面脱粘等现象。这些发现不仅丰富了对CFRP材料损伤机制的理解，也为后续的材料设计和性能优化提供了新的思路。

在实际工程应用中，CFRP材料因其优异的强度、刚度和轻量化特性而被广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑结构等领域。然而，这些材料在服役过程中不可避免地会受到各种形式的损伤，如低速或高速冲击、环境腐蚀以及长期疲劳等。其中，剪切损伤是导致材料性能退化的重要原因之一，特别是在复合材料层合板的连接区域和高应力集中部位。因此，准确预测剪切损伤后的残余性能对于确保CFRP结构的安全性和可靠性至关重要。

本研究的纱线模型不仅在理论层面具有创新性，其在实际应用中的表现也令人鼓舞。该模型能够有效捕捉纤维纱线旋转和扩散损伤累积的动态过程，从而为复杂应力状态下的材料性能预测提供了一个更为精确的工具。这一成果对于推动复合材料结构的可靠性评估和损伤容限设计具有重要意义，同时也为相关领域的研究人员提供了新的研究方向和方法论。

研究团队还指出，当前关于CFRP材料剪切损伤后残余性能的研究仍存在一些重要的空白。一方面，材料固有性能的退化机制尚未得到充分理解，另一方面，现有模型在描述弹塑性渐进损伤行为时仍存在不足。因此，本研究不仅填补了这些理论空白，还通过实验和建模的结合，为未来的研究提供了坚实的基础。未来的工作可以进一步拓展该模型的应用范围，例如将其应用于更复杂的复合材料结构，如多层板、夹层结构以及带有缺陷的构件等。

此外，本研究还强调了实验与建模相结合的重要性。通过精确的实验设计和先进的检测技术，研究团队能够获取高质量的材料行为数据，这些数据为模型的开发和验证提供了关键的支持。同时，模型的建立也反过来指导了实验设计，形成了一个良性循环的研究体系。这种相互促进的研究方法有助于更深入地理解材料的损伤机制，并推动相关理论的不断完善。

总的来说，本研究通过创新性的实验设计和建模方法，系统地探讨了剪切损伤对CFRP材料残余性能的影响，并开发了一种新的基于速率的渐进损伤模型。该模型在预测材料性能方面表现出色，能够有效捕捉纤维纱线旋转和扩散损伤累积的动态过程。研究结果不仅为CFRP材料的损伤机制提供了新的见解，也为材料性能预测和结构设计提供了重要的理论依据和实用工具。未来，随着对复合材料损伤机制研究的不断深入，此类模型将在更广泛的应用场景中发挥重要作用，为复合材料结构的安全性和可靠性提供更加坚实的保障。