对3D打印连续碳纤维增强复合材料的渐进性失效进行建模：应变率与纤维分布的影响

《COMPOSITES PART B-ENGINEERING》：Modelling progressive failure of 3D-printed continuous carbon fibre-reinforced composites: strain rate and fibre path effects

3D打印连续碳纤维增强复合材料动态性能建模研究

　　
连续碳纤维增强复合材料增材制造技术的研究进展

在先进复合材料制造领域，连续碳纤维增强复合材料（CCFRCs）的增材制造技术近年来取得显著突破。该技术通过分层堆积的方式，突破传统制造工艺对纤维路径的限制，实现了复杂结构的一体成型。研究团队针对3D打印CCFRCs材料特性开展系统性分析，重点解决了动态载荷下材料失效预测的关键技术难题。

传统复合材料的成型工艺（如手糊、RTM）受限于模具设计和纤维铺层技术，难以实现复杂三维结构。而基于熔融沉积成型（FFF）技术的3D打印工艺，通过逐层铺放预浸碳纤维丝束，能够精确控制纤维取向和空间分布。这种制造方式不仅提升了设计自由度，还显著降低了成型成本，特别适用于定制化医疗植入物和轻量化汽车部件的生产。

实验研究发现，3D打印CCFRCs存在显著的各向异性和纤维路径不连续问题。在层间连接处形成纤维分叉和汇合现象，导致材料内部出现纤维体积分数梯度（典型差异达30%-40%）。这种微观结构的不均匀性直接影响宏观力学性能，在动态载荷作用下更容易引发局部应力集中和早期失效。

针对上述问题，研究团队提出应变率与纤维路径协同作用的渐进破坏模型（PDPF）。该模型创新性地将打印轨迹数据导入有限元分析系统，通过逆向工程提取连续纤维路径的三维拓扑信息。在建模过程中，特别考虑了以下关键因素：
1. 纤维路径的空间分布特征，包括曲率半径和层间过渡区域
2. 纤维-基体界面结合特性，建立多尺度损伤传递机制
3. 动态载荷下的应变率敏感性，通过实验数据拟合不同速率下的强度参数

实验验证采用高速拉伸测试系统（最高速率100 s?1），构建包含四个典型应变率（10?2~100 s?1）的对比实验方案。通过数字图像相关（DIC）技术同步监测试件表面应变场，发现当应变率超过5 s?1时，材料呈现明显的应变率依赖性特征。其中0°铺层方向在高速加载下表现出30%以上的强度衰减，这与纤维路径在层间连接处的应力重分布机制密切相关。

研究团队特别揭示了纤维路径曲率对动态性能的影响规律。通过建立曲率半径与纤维体积分数的映射关系，发现当曲率半径小于0.5 mm时，纤维路径转折会导致局部纤维体积分数下降超过15%，显著削弱材料抗冲击性能。这种微观缺陷的宏观体现，为后续工艺优化提供了重要理论依据。

在数值模拟方面，研究采用显式有限元方法（Abaqus/Explicit）进行动态加载分析。通过开发专用用户子程序（VUMAT），成功实现了以下技术突破：
1. 动态应变率下的本构模型修正
2. 纤维路径几何特征的自动网格划分
3. 界面脱粘与纤维断裂的多尺度耦合算法

模拟结果与实验数据吻合度达92%以上，尤其在预测纤维分叉处的早期失效行为方面表现突出。研究证实，传统均质化模型在动态载荷下的误差率高达45%-60%，而引入纤维路径信息的模型可将预测误差控制在8%以内。

该研究为增材制造复合材料的工程应用提供了重要理论支撑。在医疗植入物领域，通过精确控制纤维路径分布，可使人工骨关节的动态疲劳寿命提升40%以上。在汽车轻量化部件方面，优化纤维走向设计可使车身抗冲击性能提高25%，同时减重30%-35%。研究建立的数据库包含超过200组不同应变率下的力学响应数据，为后续智能化设计提供了关键参数支持。

未来研究可进一步探索以下方向：
1. 多尺度损伤演化机制，建立从纤维尺度到宏观结构的跨尺度模型
2. 复杂加载路径下的本构关系，特别是循环载荷与冲击载荷的耦合效应
3. 基于机器学习的工艺参数优化系统，实现从设计到制造的闭环控制

该研究成果已获得多项国家自然科学基金支持（项目号：12302177、2024A1515010203等），相关技术正在与深圳智能装备制造重点实验室合作开发新型3D打印工艺装备。实验数据表明，在优化纤维路径分布后，打印构件的比刚度（单位质量的刚度）可达到传统工艺的1.8倍，为下一代智能复合材料结构的设计提供了新范式。