增材制造Onyx/连续玻璃纤维复合材料悬臂梁应变响应的实验与数值分析：增强层配置与三年储存时间的影响

《Polymers》：Experimental and Numerical Analysis of the Strain Response of Additively Manufactured Composites

　　

本文研究增强层配置与储存时长（制造年份）对3D打印复合材料构件应变响应的影响。为开展分析，研究人员采用基于应变片（strain gauge）测量的方法，对由Onyx（尼龙基短切碳纤维增强材料）和连续玻璃纤维增强、经增材制造（additive manufacturing, AM）制备的悬臂梁进行测试。打印两组试件用于实验测试，包含两种增强密度（2层和4层）及不同铺层布置。第一组在22 ± 2 °C和35 ± 5%相对湿度下储存三年，第二组在测试前即刻打印。研究人员利用粘贴于梁上下表面的应变片采集准静态（quasi-static）弯曲应变和基频（fundamental natural frequency）。对结果的综合分析表明，所提出的基于应变片的实验方法未能证实储存条件对所监测力学特性具有主导影响。相反，该方法成功识别出局部应变不对称性，该现象在详细比较实验准静态测量与动态测量时变得明显。为评估计算策略，研究人员实施了四种建模方法并结合解析与数值均质化（analytical and numerical homogenization）技术。结果表明，全局均质化连续体模型（global homogenization continuum model）由于对整个截面弹性属性取平均而高估弯曲应变。相比之下，显式分层壳模型（explicit layered shell model）和3D实体复合材料模型（3D solid composite model）与实验测量结果吻合良好。结果证实增强层布置显著影响试件力学性能。

研究背景：纤维增强复合材料兼具高比强度、刚度及良好静动态特性，广泛用于航空航天、汽车、土木和生物力学。增材制造（additive manufacturing, AM）尤其熔融长丝制造（fused filament fabrication, FFF）与连续纤维增强（continuous fiber reinforcement, CFR）带来几何自由、局部纤维取向和增强堆叠能力。打印复合材料弯曲响应不仅取决于纤维体积分数，还受增强铺层顺序、填充类型与密度、层数奇偶等影响；FFF内部孔隙较多，但可把纤维定向至高应力区。无损检测（non-destructive testing, NDT）主要用于内部完整性，而验证力学性能和数值模型需定义载荷下精确应变测量，应变片常用；但增材制造复合材料非均质、各向异性，且低模量聚合物基体中测量点存在局部增强风险。既有研究多关注新打印试件的纤维含量、铺层和填充对拉伸、弯曲、冲击性能及多尺度模型，应变片用于打印聚合物多关注局部增强效应。本研究实验聚焦两个独立问题：增强层数量和位置对准静态应变响应及悬臂梁一阶自然频率的影响；响应随时间稳定性。2022组与2025组同打印机、同参数、同材料，2022组实验室储存，2025组打印后立即测试；差异反映老化与增材制造工艺重复性的综合效应，本研究无法分离。数值部分用四种建模与两种均质化方法，为增材制造异质材料选择计算模型提供方法框架。

研究开展与意义：打印S1–S4四种配置，总40层、名义总高4 mm，含2层或4层高强度高温（High-Strength, High-Temperature, HSHT）连续玻璃纤维及不同铺层；每组每配置一件，共8件，每件5次测试、每次5个加载循环。结果表明基于应变片的实验方法未证实储存条件主导影响，并识别局部应变不对称；全局均质化连续体模型高估弯曲应变16–80%且不能区分同纤维含量配置，显式分层壳与3D实体模型吻合较好，证实增强层布置显著影响力学性能。意义在于为应变片测试和数值模型选择提供依据，壳模型因计算成本低而更可取。

关键技术方法：样本队列为2022年打印组（22-S1至22-S4）和2025年打印组（25-S1至25-S4）；2022组在22 ± 2 °C、35 ± 5%相对湿度实验室储存三年，2025组打印后立即测试；两组同一Markforged? Mark Two打印机、同材料、同打印文件、同切片软件版本和固件，每组每配置一件共8件，每件5次测试、每次5循环，详细评估代表ST2；2022组测试后称重测湿含量（75 °C干燥24 h，质量下降最多1%）。用表面应变片SG1/SG2进行准静态弯曲与快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）基频测试；Abaqus/CAE 2022有限元四模型为解析均质化（规则混合律（rule of mixtures, ROM）/Halpin–Tsai/Clyne）连续体、代表体积单元（representative volume element, RVE）数值均质化（Ansys Material Designer v2024 R1）连续体、分层3D实体和分层壳；材料常数取厂家数据，并做网格收敛。

研究结果：准静态加载下实验数据分析通过25-S1-ST2等时程选取4 s窗口提取SG1、SG2及半桥(SG1-SG2)/2信号，显示高重复性，并识别上下表面绝对应变不对称，部分试件偏压（22-S2压应变主导、22-S1拉应变主导）；镜像安装和高重复性排除计量误差、胶层失效及传感器局部增强效应。数值预测比较显示ROM和RVE均质化高估弯曲应变16–80%（平均绝对误差36–37%），因全局3D连续体均质化平均整个截面弹性刚度，不能捕捉外层纤维层局部弯曲贡献和惯性矩增加；同纤维体积分数S1/S2应变相同（236–237 με），S3/S4相同（188–189 με）；分层复合和2D分层壳模型显著降低误差，S1、S3、S4偏差?6.0%至+2.5%，S2高估16.3%（2025组）和46.5%（2022组）。动态测量与基频分析用FFT从SG1/SG2时间序列提取一阶自然频率（f₁），每个试件对置传感器f₁完全一致；不同配置f₁明显变化，与增强层数量和堆叠序列相关。动态完整性验证：两传感器f₁一致确认动态响应由整体刚度和质量分布决定，与传感器位置或表面取向无关。局部应变不对称性确认：静态不同应变幅值但动态相同f₁及变化A_SG1/A_SG2，证明静态变形不对称纯属局部，源于该截面局部中性轴偏移或弹性模量局部变异，可能由内部孔隙或增强层/纤维小偏心引起；不损害整体完整性或动态刚度；22-S1和22-S2明显。对称试件振幅一致：无内部截面不对称试件（22-S3和25-S3）在静态和动态条件下均表现理想对称。减少传感器数量的风险：若仅单面贴片，内部不均质或局部缺陷完全未检出，可能扭曲应变值并误判材料真实力学行为。标准半桥连接的局限：半桥可自动补偿轴力和寄生扭转，但输出仅应变差，掩盖绝对应变幅值是否对称或中性轴位移导致不对称；结果揭示实际传感器响应与理论假设间关键方法学缺口。自然频率数值比较：均质化模型S1/S2同、S3/S4同；S1–S3频率低估达12.4%，S4略高估达3.0%；分层模型所有试件高估4.3–9.9%，再现配置排序；平均绝对误差相当（均质化5.5%，分层7.3–7.5%）；高估可能与理想刚性夹持、应变片和电缆质量、增强层按全HSHT建模有关；实际夹持柔度（塑料板变形、聚合物试件压缩及界面微滑移）降低自然频率，与分层模型高估一致；应变片距夹持边仅7 mm，靠近局部应力集中和支持过渡区，可能贡献应变幅值差异。

讨论总结：储存三年后S1、S3、S4应变及所有配置自然频率与新鲜打印试件相差小于3%，无一致符号，未观察到系统储存效应；结果仅适用于所测试储存条件，不证明无老化。局部不对称需内部结构检查，计划2028年进一步试件。经典均质化理论高估应变且不能区分同纤维含量配置；3D实体与分层壳模型结果几乎一致，壳模型计算成本低而优选。数值中假设层间完美粘接，未建模分层和层间界面；材料属性取厂家数据；Onyx近似为等效各向同性；增强层按全HSHT建模；实际纤维量受孔隙、丝材压实和工具路径影响。

研究结论翻译：本研究聚焦增材制造复合材料梁在弯曲载荷下力学响应的综合实验研究，重点关注增强层层数和铺层配置对其静态与动态行为的影响。所提出的实验方法将线弹性范围内准静态应变片评估与基于FFT的模态分析相结合。新颖之处在于比较两组独立试件：同一3D打印机、相同参数制造，但生产间隔三年。因此结果仅适用于所测试储存条件，不能证明不存在老化。在22 ± 2 °C和35 ± 5%相对湿度下储存三年后，S1、S3和S4的应变以及所有配置的自然频率与新鲜打印试件相差小于3%，且无一致符号；未观察到储存的系统影响。准静态弯曲试验显示部分试件最外层表面表现出理论预期应变对称，而若干试件同一截面上下表面绝对应变明显不对称；高重复性使随机误差不太可能。动态测量提供补充信息：基频一致性方面，频谱分析显示每个试件两个应变片SG1和SG2得到相同一阶自然频率；这是预期，因为自然频率是依赖梁总刚度和质量分布的全局特征而非传感器位置，因此其本身不表明无局部缺陷。FFT幅值谱与静态响应相关：两应变片谱峰幅值比反映静态应变行为；静态应变场对称试件两传感器动态振荡幅值相当（如25-S3），静态不对称试件在静态应变较大的应变片上产生比例更高的动态应变幅值（如22-S2）。这些结果表明不对称是局部的，与应变片位置处截面有关，而非梁整体刚度变化；与局部中性轴偏移一致。可能原因包括孔隙、层或纤维位置偏差、应变片粘贴和夹持；澄清需检查内部结构，计划2028年进一步试件。数值比较清楚表明经典均质化理论（ROM、Halpin–Tsai、RVE）高估应变且不能区分同纤维含量配置；3D实体和分层壳模型结果几乎相同；对于所研究配置，壳模型因计算成本低而更可取。