综述：天然纤维复合材料冲击行为的理论与计算建模研究综述

这篇综述系统梳理了天然纤维复合材料（NFC）在冲击载荷下的理论与计算建模技术，填补了该领域研究空白。文章重点探讨了经典层合板理论（CLPT）、一阶剪切变形理论（FSDT）等理论模型，以及有限元分析（FEA）、连续损伤力学（CDM）等计算方法，强调其在优化NFC抗冲击设计和减少实验成本中的关键作用。通过对比不同纤维（如黄麻、大麻）与基体（环氧树脂、聚乳酸PLA）组合的性能，为可持续复合材料开发提供重要参考。

　　

天然纤维复合材料（NFC）因其轻量化、高比强度和生态友好特性，在航空航天、汽车等领域展现出替代传统合成纤维复合材料的潜力。然而，其复杂的各向异性结构和冲击敏感性，亟需通过理论建模与计算模拟手段来解析力学行为。

冲击行为与失效机制
NFC在冲击载荷下呈现三种经典断裂模式：张开型（I型）、滑开型（II型）和撕开型（III型）断裂。低速度冲击（LVI）通常导致基体开裂和分层，而高速度冲击（HVI）则引发纤维断裂和穿透。实验数据表明，黄麻/环氧复合材料在30J冲击能量下可吸收29.75J能量，其性能与纤维取向、体积分数呈非线性关系。

理论建模进展
等效单层理论（ESL）通过经典层合板理论（CLPT）简化分析，但忽略层间应力。高阶剪切变形理论（HSDT）引入厚度方向位移函数，更精准描述大麻/聚丙烯复合材料的横向剪切效应。赫兹接触定律（σ=K_i
α^3/2
）被验证适用于预测环氧基NFC的接触力，而PLA基材料则表现出独特的线性穿透能量规律。

计算模拟技术
有限元分析（FEA）中，ABAQUS/Explicit采用Hashin准则模拟四种失效模式：纤维拉伸（σ₁₁
≥X_T
）、纤维压缩（σ₁₁
≤X_C
）、基体拉伸（σ₂₂
≥Y_T
）和基体压缩（σ₂₂
≤Y_C
）。内聚力模型（CZM）通过双线性牵引-分离定律，成功预测黄麻/橡胶夹层复合材料在350m/s弹道冲击下的分层扩展，模拟误差<9%。

材料改性策略
纳米纤维素涂层使黄麻/环氧复合材料的冲击强度提升40%，归因于纤维-基体界面结合增强。马来酸酐改性聚丙烯（MAPP）作为偶联剂，显著改善木纤维/聚丙烯复合材料的能量吸收能力。新兴的生物基基体（如bioPLA、bioEpoxy）通过细菌发酵工艺制备，展现出与石油基树脂相当的抗冲击性能。

跨尺度仿真挑战
应变率敏感性是建模关键难点，苎麻/乙烯基酯复合材料的动态屈服应力在10³
s^-1
应变率下增长23%。显式算法（如LS-DYNA）需采用CFL条件稳定计算，而38,400个单元的网格密度被证明是蜂窝结构模拟精度与效率的最佳平衡点。机器学习辅助的降阶模型有望突破当前计算瓶颈。

应用前沿
全纤维素复合材料（ACC）在83.71J冲击能量下呈现渐进式纤维断裂失效，数值模型与实验力-位移曲线吻合度达92%。汽车引擎盖采用亚麻/碳纤维混杂设计后，CAI（冲击后压缩强度）提升37.9%，验证了仿生层状结构的优越性。

未来研究需重点攻克天然纤维本构模型的率相关性表征，开发兼顾计算效率与精度的多尺度算法，推动这类绿色材料在防护装备、医疗植入体等高端领域的应用突破。