基于直接FE2方法的碳纤维编织复合材料多尺度渐进损伤建模研究

为解决碳纤维编织复合材料因复杂微观结构导致的力学行为预测难题，研究人员开发了基于直接FE2的多尺度计算框架。该模型整合基体/纤维/界面损伤机制，通过全场直接数值模拟(DNS)验证，在载荷-位移响应、变形场及损伤演化方面表现出优异一致性。参数化研究表明，通过优化宏观网格尺寸和代表体积元(RVE)维度，可实现计算成本与预测精度的最佳平衡，为编织复合材料损伤分析提供了高效可靠的工具。

　　

碳纤维编织复合材料因其独特的微观架构展现出复杂的力学行为，传统单一尺度建模方法难以准确捕捉其损伤演化规律。这项研究创新性地构建了直接FE²（Finite Element²）多尺度计算框架，如同给材料装上了"显微镜+望远镜"的双重视野——既能解析微观尺度的基体开裂、纤维断裂和界面脱粘等损伤机制，又能高效预测宏观结构的力学响应。

通过全场地直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)的严格校验，该模型在三个维度展现出惊人精度：载荷-位移曲线如同复刻实验数据，变形场分布堪比高清影像，损伤演化过程更是实现了帧对帧的精准匹配。研究团队还巧妙破解了多尺度建模的"精度-效率"悖论：通过系统分析宏观网格尺寸和代表体积元(Representative Volume Element, RVE)的尺寸效应，发现当RVE边长达到单胞6倍时，计算精度趋于稳定，而计算成本仅线性增长。

这项技术突破的意义堪比为复合材料损伤分析打造了"数字孪生实验室"——既避免了全尺度模拟的"算力黑洞"，又克服了传统均匀化方法"见林不见木"的缺陷。特别是对航空航天领域广泛应用的平纹编织复合材料悬臂梁，该模型成功预测了弯曲载荷下从微观损伤萌生到宏观失效的全过程，为新一代轻量化结构设计提供了强有力的虚拟试验平台。