采用碳纤维增强塑料（CFRP）包裹的增材制造瓦楞壳体：多材料多制造工艺技术及多机制失效分析

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：CFRP-overwrapped additively-manufactured corrugated shells: Multi-material multi-manufacturing technique and multi-mechanism failure analysis

　　1. 请先检查输入的内容，如果内容分为两段，请删除重复的段落； 2. 请将以下文本翻译成中文： **摘要：** 针对复合材料波纹夹层壳在广泛工程应用中的制造挑战，本文提出了一种“芯材即模具”（core-as-mold）策略。该策略结合了增材制造（AM）的几何灵活性与纤维缠绕的结构效率，形成了一种混合制造（HM）方法。具体而言，使用熔融长丝制造（FFF）技术打印了短碳纤维增强的高温聚酰胺（PAHT-CF）芯材，这些芯材作为模具用于缠绕连续碳纤维增强聚合物（CFRP），从而制造出多材料结构。通过轴向压缩实验、有限元建模（FEM）以及包含剪切和塑性修正的理论框架，研究了这些混合结构的力学性能。数值和理论模型能够很好地再现实验观察结果。参数研究量化了设计-制造之间的权衡，发现增加CFRP层数会导致失效模式从以PAHT-CF为主的塑性屈曲转变为以CFRP面板为主的脆性断裂。这项工作为通过混合制造和多材料技术实现高性能轻量化结构提供了指导。 **引言：** 先进纤维增强复合材料夹层圆柱壳因其卓越的比强度和比刚度而被广泛用作高性能结构的主要承重部件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其结构效率从根本上取决于芯材的拓扑结构，这决定了整体屈曲、局部面板起皱和芯材剪切失效之间的复杂相互作用[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在各种拓扑结构中，波纹芯材表现出出色的抗撞性和可调节的各向异性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，这些结构的传统制造方法依赖于刚性模具进行高压釜或压缩成型，这种方法不仅成本高昂，而且容易因脱模而产生损伤[21]、[22]、[23]、[24]。尽管增材制造（AM）已被用于制造低成本模具[21]、[25]，但脱模缺陷的风险仍然存在。更重要的是，对刚性模具的依赖限制了先进配置的发展，例如变刚度或功能梯度结构。 增材制造的出现促进了复杂芯材结构的实现[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。例如，最近的研究表明，受生物启发的功能梯度芯材可以显著提高弯曲性能和损伤容忍度[33]。然而，制造这种整体结构严重依赖于基于树脂的光固化技术。虽然这些光敏树脂可以避免界面剥离，但它们的绝对强度较低，难以集成连续纤维，无法满足航空航天领域的承重要求。另一方面，熔融长丝制造（FFF）虽然可以使用更高性能的热塑性材料，但其逐层制造方式不可避免地会导致微观结构缺陷[34]、[35]、[36]、[37]以及严重的工艺诱导各向异性[38]、[39]、[40]、[41]。最近的研究一致指出，层间剪切强度是FFF复合材料的主要瓶颈[42]。尽管优化加工参数和微观结构设计可以部分缓解界面粘合不良的问题[43]，但Z轴方向的弱点仍然存在。当FFF打印的芯材被集成到宏观结构中时，这些介观尺度的界面缺陷会提前引发整体弯曲和剪切失效。因此，仅依靠纯FFF组件进行主要承重应用仍然具有根本性挑战，需要开发新的混合策略。 为了解决这些结构限制并保持几何灵活性，人们研究了将连续纤维增强技术与无模具增材制造技术相结合的方法。最近的方法包括使用原位热固化来绕过热固性复合材料制造中的传统工具[44]，以及多因素约束路径规划算法来控制复杂薄壁基材上的连续纤维沉积[45]。基于这一概念，提出了“芯材即模具”混合制造（HM）策略。该策略结合了FFF在波纹芯材设计上的灵活性与连续碳纤维增强聚合物（CFRP）纤维缠绕在面板上的机械优势。然而，HM方法引入了设计-制造之间的关键权衡：从轻量化和性能优化的角度来看，最大化高性能面板的比例是理想的；相反，为了确保制造稳定性，芯材必须具有足够的刚度以承受纤维缠绕的张力 and 固化压力[46]、[47]。量化和优化这一物理边界对工程应用至关重要。 准确预测此类混合结构的力学性能需要稳健的本构建模，特别是对于高度各向异性的FFF芯材。传统的各向同性屈服准则（如Von Mises准则[48]）无法捕捉基于挤出的打印复合材料的方向依赖性屈服行为。虽然高级力学模型或高阶张量多项式模型可以捕捉复杂的局部损伤[49]、[50]、[51]、[52]、[53]、[54]、[55]，但将其应用于大规模结构屈曲分析会带来高昂的计算成本。为了实现可行的AM复合材料宏观分析，采用现象学模型（如Hill 1948准则[56]及适当的硬化律[57]、[58]）可以在准确性和计算成本之间取得平衡。 除了制造限制外，这些HM圆柱体的精确结构建模还受到材料和几何非线性的复杂耦合的挑战。FFF芯材的弹塑性行为[59]、[60]与热固性CFRP面板的线性弹性[61]相互作用。此外，从几何角度来看，这些承重部件通常具有较低的纵横比（矮胖几何形状）以防止整体屈曲。然而，这种几何形状会导致显著的横向剪切变形。剪切诱导的非线性和材料的塑性耦合会导致预屈曲塑性变形和刚度下降[62]。因此，假设完美几何形状的经典层压理论（CLT）[63]往往会高估临界载荷[64]、[65]，需要一种考虑这些耦合行为的定制分析方法。 为了解决这些挑战，本研究提出了一个结合制造、测试和建模的框架。首先，通过实验模态分析和轴向压缩测试验证了“芯材即模具”HM策略的有效性。其次，开发了有限元模型和统一的理论框架。通过引入剪切[66]和塑性修正[67]，该分析模型克服了CLT在矮胖混合壳体上的局限性。最后，进行了参数研究以确定失效模式转变的关键边界，为HM结构的轻量化设计和优化提供了坚实的工程基础。 **多材料多制造技术：** 为了消除传统工具的脱模限制，实施了“芯材即模具”HM策略（图1）。选择了一种含有15 wt.%短切碳纤维的高温聚酰胺（PAHT-CF，QIDI Tech）作为梯形波纹芯材，因为它具有热稳定性、足够的刚度和优异的打印性能。