《Forces in Mechanics》：Crushing collapse characteristics and mechanisms of fiber-metal cylinder subjected to axial compression
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设计并制造了一种新型纤维金属圆柱（FMC），并在准静态轴向压缩条件下进行了试验，基于试验结果对压溃塌陷特性和失效机理进行了分析与讨论。基于von Mises准则、3D Hashin准则和B-K能量准则开发的新型混合失效准则在捕捉飞行控制作动器用FMC的复杂失效
设计并制造了一种新型纤维金属圆柱（FMC），并在准静态轴向压缩条件下进行了试验，基于试验结果对压溃塌陷特性和失效机理进行了分析与讨论。基于von Mises准则、3D Hashin准则和B-K能量准则开发的新型混合失效准则在捕捉飞行控制作动器用FMC的复杂失效模式方面优于单一失效准则。通过将混合失效准则与多相材料的损伤本构模型相集成，提出了用于FMC渐进失效建模（PFM）的新型三层有限元（FE）模型及求解算法。预测刚度、最大峰值载荷、首次载荷下降位移、峰值载荷位移和最终失效位移与试验结果的相对偏差分别为13.5%、8.2%、14.0%、11.1%和12.4%，处于可接受的計算精度范围内，表明了新模型的实际可用性。论文提出的新模型为工程设计中对FMC的力学响应进行评估开辟了新途径。
**研究背景与问题**
纤维金属层合板（FML）是由纤维预浸料与金属薄板交替铺叠并固化而成的独特混杂复合材料，因其高比刚度、高比强度以及优异的抗疲劳和抗冲击性能，被广泛应用于航空、压力容器和建筑工程等领域的薄壁结构。飞机飞行控制作动器筒体在服役过程中承受轴向载荷，与传统金属作动器筒体相比，纤维金属圆柱（FMC）能够有效减重并延长使用寿命，因此其力学特性和失效机理日益受到工程设计领域的关注。然而，FML存在复杂的失效机制及其相互作用，其力学特性和失效机理受多种因素显著影响，包括多相材料属性、铺层顺序与方向、成型工艺与初始缺陷、金属体积分数以及加载条件等。FML通常呈现屈曲主导型、强度主导型或分层主导型失效模式。屈曲主导型失效常见于薄壁开截面或大长细比的FML柱/板，塑性屈服首先在金属层中发生，随后局部屈曲萌生，界面分层在应力集中处起始并在后屈曲阶段扩展，最终导致承载能力下降；强度主导型失效通常出现在短厚壁闭截面FML柱中，由于长细比较小屈曲被抑制，随载荷增加金属层塑性屈服导致塑性折叠，随后FRP层中发生基体开裂、层间分层、纤维-基体脱粘和纤维断裂，载荷持续上升至峰值后波动下降进入稳定吸能阶段直至结构压溃；分层主导型失效几乎出现在所有FML制品的压缩失效过程中，分层在自由边缘、几何不连续处或制造缺陷处萌生并扩展，导致金属层局部压缩屈曲以及FRP层中纤维微屈曲和断裂。研究人员已开发多种理论模型来评估FML的压缩力学性能，包括基于Koiter渐近理论的半解析方法、基于混合法则的临界屈曲应力估算公式、基于非线性有限元和摄动特征值法的后屈曲路径分析方法、基于变分原理和Rayleigh-Ritz法的半解析模型等。然而，上述理论模型虽能预测FML板、柱和短管的屈曲载荷、后屈曲路径和承载能力，但均无法预测纤维-金属界面分层的萌生和扩展，且大多数现有模型针对特定FML构件开发，彼此差异显著，难以成为适用于所有情况的通用理论模型。基于有限元的渐进失效建模（PFM）已被证明是预测FML力学性能和损伤机制的有效方法，研究者们采用Hashin准则、Puck准则、 cohesive zone模型和刚度退化规则等进行了大量研究，预测结果与试验吻合良好。然而，针对飞行控制作动器等初级FML制品层面的研究仍然较少，FMC的力学特性和失效机理尚未被全面理解，文献中可用于表征其力学特性的定量结果极为有限。此外，FMC存在复杂的失效机制及其相互作用，以及独特的纤维桥接和界面剪切滞后效应，上述因素的协同作用对FMC力学行为的影响尚未被全面探索和完全理解，仍是预测难题，这正是本研究的焦点。
**研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员设计并制造了一种新型FMC，并在准静态轴向压缩条件下进行了试验，基于试验结果分析了其力学特性和失效机理。研究人员开发了基于von Mises准则、3D Hashin准则和B-K能量准则的新型混合失效准则，该准则在捕捉飞行控制作动器用FMC的复杂失效模式方面优于单一失效准则。通过将混合失效准则与多相材料的损伤本构模型相集成，提出了用于FMC渐进失效建模的新型三层有限元模型及求解算法。预测的刚度、最大峰值载荷、首次载荷下降位移、峰值载荷位移和最终失效位移与试验结果的相对偏差分别为13.5%、8.2%、14.0%、11.1%和12.4%，处于可接受的计算精度范围内，表明了新模型的实际可用性。该研究为工程设计中对FMC力学响应进行评估开辟了新途径。
**关键技术方法**
研究人员采用T800/Y69单向碳纤维/环氧热塑性复合材料和15-5PH钢制造FMC，其中15-5PH钢内衬与T800/Y69复合材料外衬通过纤维缠绕工艺成型，铺层缠绕顺序为[90/±30/90/±30/90]s。通过C扫描检测和测量获得FRP外衬的孔隙率、纤维体积分数和缠绕角公差分别为0.9%、55%和±0.5°，纤维-金属界面层厚度为0.01 mm。在MTS-1000 kN试验机上于实验室温度和湿度条件下以1.0 mm/min的压缩加载速率进行准静态压缩试验，并在FMC外表面对称粘贴12个应变片以确定轴向应变分布。基于ABAQUS代码建立FMC轴向压缩的三层有限元模型，采用线性减缩积分8节点单元C3D8R模拟FMC，三维三节点刚性四边形单元R3D4模拟上下压板，零厚度 cohesive zone单元COH3D8嵌入金属内衬与FRP外衬之间以及相邻单向FRP铺层之间的粘接界面以模拟层间分层和纤维-金属界面分层。通过五种网格尺寸的细网格敏感性分析确定1 mm为最优单元尺寸。采用准静态显式分析以避免数值发散，并采用质量缩放技术提高计算效率。
**研究结果**
（1）试验结果分析：从载荷-应变曲线可以看出，在0 kN至200 kN范围内几乎所有试验载荷-应变曲线呈现准线性趋势，曲线斜率彼此接近，表明在该载荷范围内无损伤出现；应变片S1至S12的测量结果彼此接近，这是由于FMC的结构几何、夹持边界和轴向加载条件具有对称性。从载荷-位移曲线可以观察到三个典型阶段：线性弹性阶段（位移0至1.14 mm）、载荷缓慢上升阶段（位移1.14 mm至5.5 mm）和载荷快速下降阶段（位移5.5 mm至6.18 mm）。在线性弹性阶段，轴向压缩载荷从试验机传递至FMC，载荷随压缩位移线性增加直至载荷-位移曲线上首次小幅载荷下降；在载荷缓慢上升阶段，金属内衬屈服导致结构刚度下降，载荷-位移曲线上出现多次小幅载荷下降直至最大峰值载荷，标志着螺旋缠绕铺层中纤维断裂和环向缠绕铺层中基体开裂的萌生与扩展以及纤维-金属界面分层的发生，同时FMC向内弯曲引起层间剪切驱动纤维-金属界面分层的萌生与扩展；在载荷快速下降阶段，显著的纤维-金属界面分层导致金属内衬失去侧向约束并发生局部屈曲，FRP外衬的显著弯曲引起螺旋缠绕铺层中广泛的纤维断裂、环向缠绕铺层中基体开裂以及金属内衬屈曲位置附近沿环向的层间分层，导致载荷-位移曲线上载荷急剧下降和结构承载能力的快速丧失。失效模式和SEM分析表明，局部屈曲发生在金属内衬上端，伴随纤维断裂、基体开裂、纤维-金属界面分层和层间分层。
（2）渐进失效建模验证：预测的载荷-应变曲线与试验结果吻合良好；预测的载荷-位移曲线同样呈现线性弹性、载荷缓慢上升和载荷快速下降三个典型阶段，与试验结果一致；预测刚度、最大峰值载荷、首次载荷下降位移、峰值载荷位移和最终失效位移与试验结果的相对偏差分别为13.5%、8.2%、14.0%、11.1%和12.4%，处于可接受的计算精度范围内。新模型可能低估FMC的压缩强度和刚度，原因在于纤维束的几何理想化和材料属性的均匀化假设。预测的轴向压缩失效模式主要表现为金属内衬的塑性屈服和局部屈曲、纤维-金属界面分层以及FRP外衬的广泛环向断裂，与试验观察到的失效过程和模式一致。
（3）渐进失效机理：在首次失效载荷501.2 kN时，金属内衬上端屈服，伴随FRP中环向缠绕铺层的基体开裂和层间分层，导致结构刚度显著下降。随压缩载荷增加，螺旋缠绕铺层中纤维断裂和环向缠绕铺层中基体开裂以及FRP中层间分层进一步萌生和扩展，FMC向内弯曲引起界面剪切和纤维-金属界面分层的萌生与扩展。在最大峰值载荷559.4 kN时，显著的纤维-金属界面分层导致金属内衬失去侧向约束并发生局部屈曲，同时FRP外衬的显著弯曲引起螺旋缠绕铺层中广泛的纤维断裂、环向缠绕铺层中基体开裂以及金属内衬屈曲位置附近沿环向的层间分层。在最终失效载荷181.6 kN时，纤维-金属界面分层区域附近金属内衬发生临界局部屈曲，FRP外衬中螺旋缠绕铺层纤维断裂、环向缠绕铺层基体开裂和沿环向层间分层分别出现，导致结构承载能力完全丧失和最终失效。影响FMC承载能力的主导失效机制是纤维-金属界面分层而非组成材料的单一失效。
**讨论与结论**
论文结论部分指出：（1）FMC在轴向压缩下的主要失效模式可概括为：金属内衬的塑性屈服和局部屈曲，随后螺旋缠绕铺层中纤维断裂、环向缠绕铺层中基体开裂以及沿环向的层间分层。（2）随压缩载荷增加，塑性屈服首先在金属内衬中约501.2 kN时发生，随后FRP外衬中出现纤维断裂、基体开裂和层间分层；纤维-金属界面分层在峰值压缩载荷559.4 kN时萌生，并由于FMC向内弯曲的界面剪切而扩展；最终金属内衬局部屈曲、FRP外衬纤维断裂和基体开裂以及层间分层导致结构承载能力完全丧失和最终失效于181.6 kN。（3）基于von Mises准则、3D Hashin准则和B-K能量准则开发的新型混合失效准则在捕捉飞行控制作动器用FMC的复杂失效模式方面优于单一失效准则；通过将混合失效准则与多相材料损伤本构模型相集成，提出了用于FMC渐进失效建模的新型三层有限元模型及求解算法；预测刚度、最大峰值载荷、首次载荷下降位移、峰值载荷位移和最终失效位移与试验结果的相对偏差分别为13.5%、8.2%、14.0%、11.1%和12.4%，处于可接受的计算精度范围内，表明了新模型的实际可用性；论文提出的新模型为工程设计中对FMC的力学响应进行评估开辟了新途径。
