非对称CFRP层合板中铺层顺序对弯曲刚度、失效进程与能量吸收的调控机制研究

本研究针对非对称碳纤维增强聚合物(CFRP)层合板在工程应用中的关键力学性能调控难题，通过实验与有限元模拟相结合的方法，系统研究了六种非对称铺层构型对弯曲性能、失效机制及能量吸收特性的影响。研究发现[0°2/+45°/90°2/-45°/0°2]构型具有最优载荷承载能力，而含±45°铺层的构型展现出渐进式失效特性。研究通过ABAQUS建立考虑材料非线性和界面损伤的精细化模型，揭示了铺层顺序通过调控应力梯度(最高达-42MPa)和变形分布(最大位移1.01mm)影响性能的机制，为航空航天等领域复合材料结构设计提供了重要理论依据。

　　

在航空航天、风力发电叶片等高端装备领域，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其卓越的比强度和可设计性已成为关键结构材料。传统对称层合板的研究已较为成熟，但非对称层合板特有的弯曲-扭转耦合效应，使其在自适应结构、变形机翼等创新应用中展现出独特优势。然而，这种优势背后隐藏着复杂的力学行为谜题：铺层顺序如何影响应力传递路径？不同铺层构型的失效是始于纤维断裂还是界面剥离？能量吸收特性是否存在可调控的规律？这些问题长期困扰着工程师们，制约着非对称层合板在冲击防护、能量吸收装置等场景的精准应用。

为破解这些难题，国内研究人员在《Results in Engineering》发表了创新性研究。团队采用实验测试与数值模拟相结合的研究范式，精心设计了六种具有代表性的非对称铺层构型，包括[0°₅/90°₃]、[0°₄/45°₂/90°₂]等典型结构。通过三点弯曲实验获取基础力学性能数据，并创新性地开发了集成Hashin-Puck混合失效准则的ABAQUS用户材料子程序(VUMAT)，同时采用基于表面内聚行为的精细化界面建模策略，实现了从纤维尺度到结构尺度的多层级损伤模拟。

6.1节 载荷-位移分析
研究发现0°₂/+45°/90°₂/-45°/0°₂构型展现出最高的峰值载荷，其载荷-位移曲线呈现"多台阶式"下降特征，表明该构型具有优异的渐进失效能力。相比之下，0°₅/90°₃则表现出脆性断裂特征，失效位移仅为Axi-6的39%。

6.3节 分层行为的FEM解析
有限元分析揭示了不同构型的分层演化规律：0°₃/90°₂/0°₃在中性轴附近出现局部化分层，而0°₃/+45°/-45°/90°₃则呈现"网状"分层形貌，损伤区域覆盖87%的界面面积。这种差异源于±45°铺层引入的剪切应力再分布效应。

6.4节 失效模式的显微溯源
显微分析发现Axi-6的失效具有多模式协同特征：0°铺层呈现53°斜切面纤维断裂(压缩侧)，90°铺层发生横向基体开裂，而±45°铺层界面出现"花瓣状"分层。这种"各司其职"的失效模式使其能量吸收效率提升210%。

6.7节 变形场特征图谱
变形测量显示构型刚度差异显著：0°₄/30°₂/60°₂的最大挠度(0.41mm)仅为0°₃/+45°/-45°/90°₃的40%，证实30°铺层的"梯度过渡"设计可有效抑制弯曲变形。

6.8节 能量耗散机制解构
能量分析揭示三类耗散路径的时序规律：Axi-6在0.035秒即启动分层能量吸收，而0°₄/45°₂/90°₂的基体能量吸收呈现"三段式"增长特征。这种差异为设计具有预定失效序列的防护结构提供了理论依据。

该研究通过建立"铺层构型-应力场-损伤模式-性能输出"的定量关联模型，突破了非对称层合板设计中的经验依赖困境。特别是提出的"界面应力梯度调控"准则，可指导开发兼具高承载(峰值载荷提升58%)和大变形(挠度增加240%)的新型层合板。研究揭示的渐进失效机制为飞行器抗冲击结构设计提供了新思路，而能量吸收的时序调控特性则在汽车碰撞防护等领域具有应用潜力。这些发现将推动复合材料从"对称均衡"设计范式向"非对称功能化"设计范式的跨越发展。