基于子层多尺度建模方法的厚壁CFRP复合材料管轴向压溃响应模拟

《Engineering Fracture Mechanics》：A sublaminate-based multi-scale modeling approach for axial crushing response simulation of thick CFRP composite tubes

　　

**摘要要点**

• 提出了一种基于子层板概念的厚壁CFRP结构多尺度建模框架。
• 实现了RVE预测与结构压溃仿真之间的无缝集成。
• 通过实验与数值验证，展现了优异的精度-效率平衡能力。

**引言**

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料越来越多地应用于轨道车辆结构设计中，以实现轻量化设计并满足耐撞性要求[1], [2]。与汽车和航空领域的小型结构不同，轨道车辆的吸能结构具有大尺寸和高吸能能力的特征，壁厚通常超过12 mm[3], [4]，铺层数往往超过100层。准确预测厚壁CFRP结构的压溃响应仍然是一个重大挑战[5], [6]。因此，高保真有限元仿真被广泛用于捕捉失效行为并支撑结构设计。然而，对于大型复合材料结构，在预测精度与计算效率之间取得平衡仍然十分困难（表1）。

在当前的复合材料结构耐撞性仿真中，ABAQUS[7]、LS-DYNA[8], [9]和PAM-CRASH[10]等商业有限元软件被广泛使用。通常采用多层壳建模策略，利用若干壳层以及接触/内聚力单元来模拟层内和层间变形[11], [12]。Chen等人[4]在ABAQUS中建立了圆形CFRP管轴向压溃模型，研究发现与4壳层模型相比，10层和15壳层模型能更好地预测实验观测到的变形模式。此外，层间性能对仿真结果影响显著；例如，层间断裂能的小幅降低导致结构总吸能（EA）从56.0 kJ降至54.6 kJ。McGregor等人[13]分别采用2层和4层壳模型建立了复合材料圆管轴向压溃模型，层间分层失效通过*CONTACT_ONE_WAY_TIEBREAK接触模拟。结果表明，2壳层模型虽然计算效率更高，但未能准确捕捉分层失效，其预测的摩擦能为4.8 kJ，明显低于4壳层模型的5.8 kJ。Reiner等人[14]在ABAQUS/Explicit和LS-DYNA中对比了三种材料模型（MAT81、MAT219和ABQ_DLR_UD）在复合材料方管轴向压溃中的性能，结果表明ABQ_DLR_UD和MAT219的预测结果与实验更为接近。这些发现表明，耐撞性仿真的预测精度对本构律的选择高度敏感，但目前尚无单一模型被证明能普遍适用于动态冲击下的厚壁复合材料结构。

目前，大多数复合材料结构的有限元仿真仍依赖于逐层建模的高保真策略。虽然该方法能有效捕捉小规模层合板的力学响应和失效机理，但将其应用于厚壁结构（通常包含数百层复合铺层）时面临严峻的计算挑战。在这类模型中，随着层合板厚度的增加，单元数量、接触定义和内部变量显著增加，导致显式动力学分析的计算成本过高。尽管降低网格密度或积分点数量可以提高效率，但这些简化措施可能会损害预测精度。因此，在保持关键失效特征的同时降低计算成本的高效建模策略的开发仍然是一项重要挑战。

近年来，多尺度计算方法的发展逐渐将其应用范围从材料性能评估拓展到结构性能预测。Sun等人[15]开发了一种结合纳米、微观、介观和宏观尺度的CFRP集成计算模型，能够准确捕捉不同尺度下的损伤模式和力学性能。Lin等人[16]报道了一种微观代表体积元（RVE）模型，通过该模型获得了CFRP的等效弹性参数用于压力容器爆破压力仿真，结果表明该模型能准确预测复合材料在内压载荷下的渐进损伤行为。Calneryte和Barauskas[17]以及Liao等人[18]对微观RVE模型进行了力学表征，并通过CFRP层合板的低速冲击验证了多尺度模型的精度。Chen等人[19]基于Chamis方法在微观尺度计算了纤维束的力学性能，随后通过介观RVE模型成功预测了CFRP层合板的力学性能，用于CFRP管轴向压溃的冲击响应仿真，与实验结果相比最大误差为15%。

目前，大多数数值研究主要集中在小规模结构上（壁厚通常小于3 mm）。由于前处理流程和建模复杂性，大量计算时间消耗在单元处理上，特别是在显式动力学分析中，从而显著增加了更大壁厚结构的计算成本[20]。为了平衡计算效率与精度，基于子层板概念的等效建模方法引起了广泛关注[21], [22], [23], [24], [25]。该方法将复合材料结构视为一系列沿厚度方向重复堆叠的子层板。基于子层板内的均匀化假设，可以计算子层板的力学参数，随后用于宏观建模[26]。例如，Chricker等人[27]提出了一种基于子层板的弹道贯穿介观模型，通过经典层合板理论（CLT）和Tsai–Wu准则推导出[0°/90°/0°/90°]子层板的等效刚度，取得了与实验结果的良好一致性，同时显著降低了计算成本。Jia等人[20]开发了一种基于子层板的单轴向试样[0°]160多尺度模型，将160层分为20个子层板，并使用Chou等效理论表征这些子层板的弹性参数。Reiner等人[26]开发了IM7/8552材料（[45°/0°/90°/-45°]4s）的低速冲击模型，将重复的四层[45°/0°/90°/-45°]定义为一个子层板，结果显示与实验数据吻合良好。Fotopoulos等人[25]提出了一种基于子层板的厚壳建模方法，将[0°/90°]24层合板试样离散化为2、8、16和24个子层板，并进行了静态I型双悬臂梁试验和有限元验证。仿真结果表明，当子层板数量达到8或更多时，模型能准确捕捉分层演化规律，但未能准确计算子层板的力学性能。总体而言，基于子层板的方法在准静态和低速冲击条件下表现良好；然而，目前很少有研究报道基于子层板的复合材料结构压溃仿真建模。

本研究提出了一种面向厚壁CFRP管结构的多尺度耐撞性建模方法，旨在降低计算成本的同时确保模型精度。本文组织如下：第2节描述了等效建模方法的框架。第3节描述了单铺层性能预测的微观RVE模型的开发与验证。第4节详细说明了子层板均匀化过程及其验证。第5节呈现了轴向压溃模型的设计与验证，以及壳层数量和铺层顺序对压溃响应影响的参数研究。

**多尺度建模框架**

针对采用纤维缠绕技术制造的厚壁CFRP管，提出了一种多尺度耐撞性建模方法，如图1所示。该框架由三部分组成：单铺层力学性能计算、子层板力学性能计算以及CFRP管轴向压溃响应仿真。具体步骤如下：

**(1) 单铺层力学性能计算：** 基于实际微观形貌建立RVE模型，建立各种载荷条件下的RVE有限元模型

CFRP纤维束由T700碳纤维（由中复神鹰碳纤维有限公司提供）和AF4122环氧树脂（由威尔斯先进材料（上海）有限公司提供）组成。纤维束通过湿法纤维缠绕工艺缠绕在芯棒上。缠绕结构经加热固化后冷却至室温，并脱模。采用[0°]10铺层顺序，对应层合板厚度为2 mm。

采用扫描电子显微镜（SEM）捕捉……

**基于子层板的计算方法**

图4展示了子层板等效力学性能的计算流程。该流程首先将复合材料结构表示为一系列沿厚度方向重复堆叠的子层板，每个子层板具有相同的铺层配置。基于均匀化策略，随后使用第3节获得的单铺层力学参数计算每个子层板的等效力学性能。整体……

**有限元模型**

动态冲击试验系统由一个总质量为12.64 t的小车组成，以24.83 km/h的速度撞击刚性壁。吸能管内径为220 mm，壁厚为18 mm，长度为914 mm，质量为21.26 kg。管材由T700碳纤维制成，铺层顺序为[±5°/±5°/±88°]15。在管材受冲击端加工了45°触发倒角，轴向和径向延伸9 mm。进一步……

**结论**

本研究提出了一种面向厚壁CFRP管结构的多尺度耐撞性建模方法，包括单铺层力学性能计算、子层板力学性能计算以及CFRP管轴向压溃响应仿真。首先，基于真实微观形貌建立了CFRP的微观RVE模型。随后，提出了一种结合经典层合板理论（CLT）和Tsai–Wu失效准则的子层板等效建模方法。最后，建立了一系列CFRP管轴向……

**作者贡献声明**

王一宁：撰写初稿、调查研究、数据整理。杨冰：可视化、形式化分析。孟茂州：撰写—审阅与编辑、方法论。朱涛：验证、数据整理。肖寿年：可视化、概念化。陈冬冬：撰写—审阅与编辑、基金获取。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到国家自然科学基金（52305284）、四川省科技计划项目（2025ZNSFSC0089）以及轨道交通车辆系统国家重点实验室自主研究项目（2025RVL-T05）的资助。

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