CFRTP层合板面内纤维波纹渐进损伤分析：拉伸与压缩载荷下的损伤机理研究

本研究针对碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)层合板中面内纤维波纹这一典型制造缺陷，提出了一种高保真数值分析方法，分别建模纤维主导和基体主导损伤模式，通过扩展有限元法(XFEM)精确模拟基体开裂，结合物理基模型(PBM)描述纤维屈曲带演化，揭示了纤维波纹严重程度对拉伸/压缩强度及损伤机制的影响规律，为CFRTP结构可靠性评估提供了重要理论工具。

　　

随着航空航天领域对轻量化材料需求的日益增长，碳纤维增强塑料(CFRP)因其高比刚度和比强度而备受青睐。然而，传统热固性CFRP(CFRTS)存在成型后难以再加工、生产效率低和可回收性差等问题。相比之下，碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)具有可重复加工特性，且适用于适合大规模生产的压塑和注塑成型工艺，在提升生产效率和降低成型成本方面展现出巨大潜力。尽管如此，CFRTP在大型构件中的应用仍受限于制造过程中产生的各种缺陷，其中纤维波纹作为典型制造缺陷，会显著降低力学性能并使损伤行为复杂化。

纤维波纹主要源于成型过程中高温条件及热塑性树脂力学性能不稳定性，在平板构件表面尤为明显。即便在纵向载荷作用下，面内纤维波纹周围也会产生不均匀的多轴应力，导致属于基体主导损伤模式的分裂。然而，损伤扩展的内在机制尚未完全阐明。为解决这一问题，东京大学的研究团队在《COMPOSITE STRUCTURES》上发表了一项研究，开发了一种高保真数值分析方法，能够分别考虑纤维主导和基体主导的损伤，以预测面内纤维波纹对CFRTP层合板力学性能的影响。

为开展研究，作者采用了几个关键技术方法：首先，建立了纤维波纹的几何模型，采用正弦波拟合实验观测到的波纹形貌，并通过均匀化方法处理局部波纹参数对材料性能的影响。其次，构建了纤维主导损伤模型，引入考虑尺寸效应的Weibull准则模拟拉伸破坏，采用LaRC03失效准则结合物理基模型(PBM)模拟压缩载荷下的纤维屈曲带演化。第三，针对基体主导损伤，采用扩展有限元法(XFEM)结合内聚力模型(CZM)高效模拟层内基体裂纹，避免了传统有限元法中对复杂网格设计的依赖。此外，研究还采用了代表性体积单元(RVE)结合周期性边界条件来考虑纤维波纹连续性的影响。

2.1. 纤维主导损伤模型

研究人员通过引入考虑尺寸效应的Weibull准则来模拟拉伸载荷下的脆性破坏。在压缩载荷下，采用LaRC03失效准则判断纤维屈曲损伤起始，并结合物理基模型(PBM)描述屈曲带的渐进损伤演化。该模型能够模拟多轴载荷条件下破坏包络线和损伤模式的转变。

2.2. 基体主导损伤模型

为精确模拟层内基体裂纹，研究引入了扩展有限元法(XFEM)，该方法允许位移和应力场的不连续性，并能够实现与网格无关的内聚力模型(CZM)插入。通过结合水平集方法和位移场近似解，有效表示了横向裂纹导致的位移不连续性。

3.1. 纤维波纹的几何和材料表征

纤维波纹的几何形状基于实验观察结果，采用正弦波进行拟合。通过坐标变换处理初始不对中角θ，并利用混合法则处理纤维体积分数v_f的变化，确定了每个单元的局部刚度矩阵。纤维波纹的严重程度通过波幅与波长之比w来量化。

3.2. 模拟框架和边界条件

强度分析模型基于准三维XFEM数值分析程序实现。在拉伸和弯曲强度分析中，采用代表性体积单元(RVE)结合周期性边界条件，施加宏观面内应变和曲率，计算相应的名义应力和名义弯矩。

4.1. 验证

通过将数值强度预测结果与四点弯曲试验数据进行比较，验证了分析方法的有效性。结果显示，数值预测与实验数据具有良好的一致性，尽管实际纤维波纹几何形状的随机性导致了实验数据的分散。

4.2. 拉伸载荷下的断裂行为

应力-应变曲线表明，随着纤维波纹严重程度w的增加，刚度降低，但随着等效应变ε_eq增大，由于纤维在加载方向上的重新排列，刚度有所恢复。在波纹严重程度较高的情况下，沿加载方向会出现分裂，且最高应力集中出现在波纹区域附近，分裂对含纤维波纹试样的失效模式有显著影响。

4.3. 压缩载荷下的断裂行为

压缩载荷下的应力-应变关系显示，随着w增加，刚度降低，且非线性响应更加明显。屈曲带损伤起始于局部剪切应力σ^m₁₂最大的区域。当w较小时，屈曲带是主要失效模式，损伤迅速发展；当w较大时，屈曲带形成和分裂耦合发生，损伤渐进扩展，由增加的局部剪切应力驱动。

研究结论表明，该高保真数值分析方法能够有效预测面内纤维波纹对CFRTP层合板力学性能的影响。通过分别建模纤维和基体主导损伤模式，并结合XFEM和PBM等先进数值技术，成功揭示了纤维波纹严重程度对损伤机制的影响规律：在拉伸载荷下，纤维波纹导致应力集中和基体分裂；在压缩载荷下，损伤模式随波纹严重程度从纤维屈曲主导转变为纤维屈曲与基体开裂耦合。

这项研究的创新性在于明确并组合建模了屈曲带形成和基体裂纹，能够准确捕捉损伤模式的转变以及纤维波纹对损伤扩展的影响，与以往实验观察结果一致。该建模框架为分析含面内纤维波纹的CFRTP层合板的渐进失效行为提供了实用有效的方法，对提高复合材料结构的设计和可靠性评估具有重要指导意义。然而，研究中假设的纤维波纹几何形状是理想化的，未来研究需要结合实际纤维波纹几何形状进行分析，以进行更高精度的验证。