三维缝合复合材料在拉伸与压缩载荷下的细观损伤演化建模及性能增强机制

来自某研究团队的研究人员针对三维(3D)缝合复合材料在不同载荷下的损伤演化机制问题，开展了基于X射线断层扫描的细观尺度单元细胞模型研究。通过建立3D实体单元全局分析和细观本构模型，揭示了缝合工艺使复合材料拉伸/压缩强度分别提升22%和28%的强化机制，发现拉伸时损伤始于缝合裂纹区而压缩时源于厚度方向纤维间隙的重要规律，为航空复合材料结构设计提供了重要理论依据。

　　

这项研究通过创新的细观尺度建模方法(Meso-Scale Modeling)，揭示了三维缝合(3D stitched)与非缝合(unstitched)复合材料在拉伸(tensile)和压缩(compression)载荷下的损伤演化奥秘。研究人员采用X射线断层扫描(X-ray tomography)技术获取真实材料结构，构建了包含3D实体单元和细观本构关系的双重尺度模型。

有趣的是，缝合工艺就像给复合材料"缝制加强筋"——在拉伸载荷下，纤维损伤(fiber damage)会从缝合产生的裂纹区萌生，而树脂基体(matrix)损伤则从缝合线穿入的间隙开始，呈对角线扩展；压缩时则呈现不同图景：损伤始于厚度方向的缝合纤维通道区域，横向纤维中的基体损伤扩展更快。

定量分析显示，这种"微观缝合手术"使材料性能显著提升：极限拉伸强度(ultimate tensile strength)增加22%，压缩强度提升达28%。无论是缝合还是非缝合试样，都观察到基体横向裂纹(transverse cracks)和纤维界面脱粘现象，特别是在缝合线周围形成独特的损伤模式。这些发现为航空航天领域高性能复合材料设计提供了关键理论支撑。