考虑粘弹性的非卷曲织物复合材料工艺残余应力实验与数值评估：双尺度建模新方法

本研究针对非卷曲织物(NCF)复合材料因内部异质结构导致的制造缺陷和残余应力问题，通过动态机械分析(DMA)和热机械分析(TMA)测试获取环氧树脂(EP)和聚酰胺6(PA6)的时温依赖性特性，建立包含粘弹性本构律的双尺度有限元模型，成功预测了交叉层压板的工艺诱导变形(PID)，揭示了树脂间隙导致的应力局部化现象，为航空航天领域高性能复合材料制造提供了重要理论依据。

　　

在航空航天领域，碳纤维增强聚合物(CFRP)因其优异的比强度和刚度备受青睐。然而传统CFRP材料面临两大困境：单向(UD)层压板虽然力学性能优异但生产效率低下，而机织织物虽便于树脂传递成型(RTM)却因纤维弯曲导致力学性能显著降低。非卷曲织物(NCF)复合材料通过缝合纤维束的创新设计，既保持了UD层压板的高性能，又具备机织织物的成型效率，成为当前研究热点。但NCF独特的缝合结构带来了新的挑战——制造过程中会产生纤维波纹和树脂间隙等缺陷，这些异质性特征使得材料内部残余应力的产生机制更为复杂。

研究人员针对这一关键问题开展了深入研究。通过精心设计的实验和数值模拟，团队系统研究了热固性环氧树脂和热塑性PA6两种基体NCF复合材料的工艺诱导残余应力。研究创新性地将粘弹性本构关系引入双尺度有限元分析(FEA)框架，在微观尺度建立包含周期性单胞(PUC)的纤维/树脂模型，在宏观尺度构建反映真实NCF结构的网格模型，实现了从树脂特性到复合材料性能的多尺度预测。

研究采用了多项关键技术方法：通过动态机械分析(DMA)获取树脂的时温依赖粘弹性特性；采用热机械分析(TMA)测定热膨胀系数(CTE)；建立广义Maxwell模型(GMM)描述材料松弛行为；开发双尺度有限元分析框架，在微观尺度进行周期性单胞分析，在宏观尺度模拟交叉层压板成型过程；通过3D蓝光扫描测量工艺诱导变形(PID)验证模型准确性。

在"实验结果与讨论"部分，研究首先通过DMA测试揭示了两种树脂的粘弹性差异：环氧树脂在玻璃化转变温度(T_g=171.2°C)附近呈现明显的线性粘弹性(LVE)区域，而PA6(T_g=60.9°C)则表现出橡胶弹性平台(REP)特征。TMA测试显示PA6的热膨胀行为在结晶温度(T_c)附近出现显著变化。

在"微观尺度分析"中，周期性单胞模型显示纤维周围的应力集中区域松弛程度(84%)明显低于树脂富集区域(97%)，表明纤维约束会抑制树脂的应力松弛。有趣的是，PA6基体在橡胶态仍保持较高应力传递能力，这与环氧树脂在玻璃化转变后迅速丧失刚度的特性形成鲜明对比。

"宏观尺度分析"部分，[90/0]交叉层压板的PID模拟与实验结果高度吻合(误差<10%)。应力分布分析揭示NCF/Epoxy在90°层树脂间隙处存在显著应力集中，这是由纤维束与树脂间的热收缩失配造成的。相比之下，NCF/PA6由于树脂间隙部分与纤维混合，应力集中现象明显减弱。

这项研究的重要意义在于：首次系统比较了热固性和热塑性NCF复合材料的工艺残余应力特性；建立的粘弹性双尺度模型能准确预测PID并捕捉应力局部化；揭示了纤维约束对树脂应力松弛的影响机制；为航空航天用高性能复合材料的结构设计和工艺优化提供了重要理论指导。特别是提出的建模方法可显著减少实验试错成本，对推动NCF复合材料在工业领域的应用具有重要价值。未来研究可进一步考虑固化度和结晶度对材料性能的影响，以及引入粘塑性模型进行强度评估。