《International Journal of Mechanical Sciences》：3D in-situ X-CT characterization of anisotropic damage in glass-fiber–reinforced polypropylene
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纤维取向和数字体积相关技术结合X射线断层扫描与有限元模拟，揭示了注射成型PP-GF30复合材料中纤维取向差异导致的横向与纵向试样不同损伤机制（纤维拔出/界面脱粘）及其力学响应差异，建立了基于三维微观结构的周期性RVE模型验证剪切滞后理论的有效性。
Ce Xiao|Qiang Chen|Haoming Zhang|Haoming Luo|Zun Yin|Jun Ren|Zhonghuai Su
西安交通大学机械工程学院，中国西安，710049
摘要
由于注塑成型过程中纤维的排列，玻璃纤维增强热塑性塑料表现出强烈的各向异性。本研究开发了一个基于实验的框架，通过将准静态拉伸测试与X射线断层扫描（XRT）中的数字体积相关性（DVC）技术和微观结构导向的有限元建模相结合，来解释损伤的起始和演变过程。在多个应变水平下对纵向和横向试样进行了成像。U-Net模型用于分割纤维、孔洞和基体，从而能够定量分析纤维取向张量和长度分布，并利用这些信息构建具有连续界面的周期性代表性体积元素（RVEs）。DVC技术将局部应变场与损伤行为联系起来。从宏观上看，纵向试样的抗拉强度和伸长率高于横向试样，这归因于纤维取向的差异。原位3D观察揭示了特定的失效机制：横向试样主要表现为界面脱粘和平面裂纹，而纵向试样则表现为纤维拔出和断裂。基于CT数据的统计周期性RVEs再现了两种取向下的宏观应力-应变响应以及纤维端的局部连续应力，这与剪切滞后理论和临界纤维长度预测结果一致。本研究为PP-GF30材料的失效机制提供了方向分辨的理解，并展示了一种适用于注塑成型短纤维复合材料的闭环结构-仿真-性能工作流程。
引言
玻璃纤维增强热塑性复合材料由于其优异的比强度、良好的加工性能和可回收性，在航空航天[1]、[2]、[3]、汽车[4]、[5]、[6]以及电气[7]、[8]等行业得到了广泛应用。注塑成型是这类复合材料的主要制造方法，能够利用复杂的模具高效地制造出三维结构。然而，这一工艺显著影响了微观纤维的排列方式，通常在成型板材中形成典型的“表皮-核心”结构[9]、[10]。由于靠近模具壁处的剪切效应，表层纤维沿流动方向强烈排列，而核心层纤维的取向则较为随机[11]、[12]。这种分层取向导致了明显的机械各向异性，进而影响了复合材料的变形行为、裂纹扩展路径和最终失效机制[13]、[14]。
近年来，人们投入了大量精力研究纤维取向对短纤维增强复合材料力学性能的影响。以往的研究主要集中在等效模量预测[15]、[16]、[17]、界面损伤建模[18]、[19]以及微观结构特征与宏观行为之间的多尺度耦合[21]、[22]上。随着原位X射线计算机断层扫描（X-CT）技术的进步，研究人员现在可以直接捕捉到机械加载过程中裂纹、孔洞和界面失效的三维演变过程，为传统的事后分析提供了宝贵的补充[23]、[24]、[25]。例如，Rolland等人[14]利用原位X-CT研究了不同湿度条件下玻璃纤维增强热塑性复合材料的界面损伤演变，揭示了由纤维取向和环境湿度共同作用控制的复杂失效路径。同时，结合注塑成型流动分析、纤维取向映射和结构有限元建模的过程-结构耦合仿真工作流程在短纤维热塑性塑料领域日益成熟。这些框架已经从刚度预测扩展到与失效和疲劳相关的问题，包括几何形状引起的应变集中效应、局部应力状态依赖性（如应力三轴性）以及缺口敏感性[26]、[27]、[28]。相关的基于过程的结构评估也已在组件级和混合结构概念上得到应用[29]、[30]。基于这些已建立的工作流程，本研究通过将原位3D观察结果和DVC应变定位与微观结构导向的建模相结合，专注于注塑成型PP-GF30材料中损伤起始和演变的取向分辨解释。
然而，大多数现有的原位X-CT研究仍然主要是描述性的，侧重于可视化裂纹形态和扩展路径[31]、[32]、[33]，而没有充分利用CT提供的丰富三维结构信息——如纤维取向张量、长度分布和界面几何形状——来建立预测性的结构-仿真-性能循环。此外，数字体积相关性（DVC）技术越来越多地被用于量化内部位移和应变场，并将应变定位（或应变活性）与纤维增强聚合物中的损伤起始和生长联系起来[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。尽管如此，DVC导出的运动学与三维损伤形态以及微观结构导向建模之间的定量耦合仍然有限，尤其是在注塑成型的短纤维热塑性塑料中。更重要的是，尽管过程-结构仿真可以提供有价值的方向依赖性场信息，但由于缺乏关于损伤起始和演变的原位证据（例如，界面脱粘、基体裂纹和孔洞生长的时间和位置及其与局部取向的相互作用），失效预测的可信度往往受到限制。这一差距促使人们探索一种通过成像验证的建模方法，该方法明确地将测量的3D损伤演变和应变定位与微观结构导向的失效建模联系起来。
此外，大多数现有研究仅关注单一加载方向[41]、[42]、[43]，而系统比较不同加载方向（如纵向与横向）下的微观结构演变、界面损伤机制和力学响应的研究仍然较少。对于注塑成型复合材料而言，这种差距尤为重要，因为其表皮-核心结构通常表现出明显的取向梯度[44]，导致多种共存的失效模式，包括界面脱粘[45]、纤维拔出[46]和纤维断裂[47]。然而，这些机制如何相互作用并共同控制裂纹扩展路径仍不清楚。
本研究开发了一个集成框架，结合了三维成像、应变测量和数值建模，用于30 wt%玻璃纤维增强的聚丙烯注塑复合材料。通过准静态拉伸测试结合原位X-CT，跟踪了纵向和横向加载下的裂纹和孔洞演变。基于U-Net的神经网络用于提取纤维结构参数，而DVC技术重建了损伤区域的三维应变场。根据提取的微观结构，利用X-CT数据构建了包含连续元素的代表性体积元素模型。在Abaqus中进行了有限元仿真，并进一步结合剪切滞后理论和临界纤维长度标准分析了不同纤维取向下的裂纹扩展和损伤演变机制。
材料与方法
本节概述了用于获得PP-GF30材料损伤起始和演变方向分辨证据的实验-数值工作流程。首先描述了试样制备、准静态加载和原位XRT协议，然后简要总结了U-Net分割、DVC设置以及用于机制解释的基于CT的统计周期性RVE建模方法。
结果
结果从宏观响应到微观结构解析的观察和建模支持进行了组织。首先介绍了准静态拉伸行为的重复性和各向异性，接着展示了原位加载下的时间延迟3D损伤演变过程以及DVC应变定位图，最后将实验结果与基于CT的统计周期性RVE/FEM预测进行了比较。
讨论
本节通过综合考虑原位3D形态、DVC应变活性和微观结构导向的建模，解释了取向依赖的损伤机制。首先研究了表皮-核心取向对比如何控制损伤起始和裂纹扩展，然后利用剪切滞后理论和临界纤维长度标准将实验观察到的热点与RVE预测的界面应力集中联系起来，同时明确了研究的范围和局限性。
结论
本研究建立了一个原位三维实验和数值框架，用于研究注塑成型PP-GF30复合材料中的取向依赖性失效机制。通过整合X射线计算机断层扫描、基于U-Net的图像分割、数字体积相关性和基于纤维取向张量的有限元仿真，对纵向和横向试样进行了表征和建模。
本研究建立了一个原位三维
作者贡献声明
Ce Xiao：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究设计、数据分析、概念构建。Qiang Chen：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件开发、方法论、研究设计、资金申请、概念构建。Haoming Zhang：初稿撰写、软件开发、方法论、概念构建。Haoming Luo：审稿与编辑、验证、项目协调
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52405128）和中国博士后科学基金（编号：2024M75290）的支持。Z. Yin感谢西安交通大学设施平台的Zijun Ren先生在X-CT扫描方面提供的帮助。
