孔隙与温度耦合作用下三维碳纤维编织复合材料力学响应的多尺度模拟研究

本研究针对复杂工况下三维编织复合材料性能预测难题，提出跨微观-细观-宏观的多尺度建模框架。通过蒙特卡洛算法在代表体积单元（RVE）中生成随机孔隙缺陷，结合三维应变型Hashin失效模型与损伤演化理论，系统揭示了热-力耦合载荷中孔隙缺陷作为应力集中源促进裂纹扩展的机制。结果表明：高温环境下缺陷敏感性显著增强（最高强度下降54.9%），但超过阈值温度后影响减弱，为多因素耦合的复合材料设计优化提供新思路。

　　

通过跨尺度建模框架（涵盖微观、细观与宏观尺度），本研究系统解析了三维正交编织碳纤维增强聚酰胺复合材料（3D braided composites）在热-力耦合载荷下的力学行为与损伤演化规律。采用蒙特卡洛算法（Monte Carlo algorithm）在代表体积单元（RVE）中构建具有不同孔隙率（void volume ratios）的随机缺陷模型，并建立三维应变型Hashin失效准则（3D strain-based Hashin failure model）以模拟单轴拉伸过程中的渐进失效。研究发现：孔隙缺陷作为应力集中源（stress raisers）显著促进裂纹萌生与扩展，且高温环境会加剧缺陷对强度的负面影响（最大强度降幅达54.9%），但超过特定温度阈值后该效应减弱。本研究为多因素（温度-缺陷-力学载荷）耦合下的复合材料性能优化提供了跨尺度分析新范式。