《COMPOSITE STRUCTURES》：Investigating the failure behaviour of a composite strut under compressive load by experimental testing and computational modelling
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摘要
与铝制支撑柱相比，碳纤维增强聚合物（carbon fibre reinforced polymer，CFRP）复合材料支撑柱可显著减轻结构重量，这对航天应用至关重要。然而，其力学性能和失效行为必须被充分理解并具备可预测性，方能实现广泛应用。本文研究了一类
摘要
与铝制支撑柱相比，碳纤维增强聚合物（carbon fibre reinforced polymer，CFRP）复合材料支撑柱可显著减轻结构重量，这对航天应用至关重要。然而，其力学性能和失效行为必须被充分理解并具备可预测性，方能实现广泛应用。本文研究了一类在主柱体与锥形端部之间存在几何过渡区的复合材料支撑柱的失效行为及承载能力。通过考察制造缺陷对结构响应的影响，研究了其损伤容限能力。研究人员对三根相同设计的支撑柱（一根为 pristine 状态，两根含初始缺陷）进行了准静态压缩载荷试验。采用数字图像相关（digital image correlation，DIC）技术和应变片测量变形及应变场。建立了融合 Hashin 失效准则的有限元模型以预测失效载荷。研究人员从应变分布与幅值、失效模式及失效载荷等方面对实验结果和数值结果进行了分析。对于所研究的设计，几何过渡区角度被发现控制着失效行为；微小初始缺陷对结构响应影响很小或无影响。
论文解读文章
**研究背景与现存问题**
支撑柱作为空间结构中广泛使用的承载与隔振部件，其轻量化需求日益迫切。碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料支撑柱相比传统铝合金支撑柱可显著减轻结构重量，因此成为航天应用的理想选择。然而，其复杂的分层结构和各向异性力学行为，导致其失效模式远比金属构件复杂，亟需建立可靠的失效预测方法以保证结构安全。
在先前的研究计划中，NASA及其合作者系统考察了不同几何设计的复合材料支撑柱在压缩载荷下的性能，发现几何过渡区（锥形端与圆柱主体连接区域）的倾斜角度是决定失效模式的关键参数。低载应用（过渡角5°）下支撑柱发生整体屈曲破坏，高载应用（过渡角10°）下失效集中于端部接头附近。尽管这些研究揭示了过渡角度的重要性，但关于过渡角度如何具体控制局部应力分布和失效模式的机理仍不清晰；此外，关于制造初始缺陷（如分层或裂纹）对承载能力和失效行为影响的公开文献几乎空白。
工程设计中常用的Tsai-Hill和Tsai-Wu失效准则无法区分不同的失效模式。Hashin失效准则因其合理性和通用性而被广泛采用，但需要结合损伤演化规律才能模拟损伤起始后的裂纹扩展行为。
**研究目的**
本研究旨在通过实验测试与数值模拟相结合的方法，系统研究过渡区角度为15°的复合材料支撑柱在准静态压缩载荷下的失效行为与承载能力，同时考察初始制造缺陷对结构响应及损伤容限能力的影响，并建立经实验验证的有限元预测模型。
**研究人员开展的研究**
研究人员对三根相同几何尺寸的CFRP支撑柱（HTA-40/PT-15材料体系，内层为0°单向（unidirectional，UD）层，外层为±45°编织层）进行了准静态压缩试验：Strut-1为无缺陷基准件，Strut-2含110 mm纵向裂纹（位于内层UD层），Strut-3含140 mm层间分层（位于内外层之间）。试验分别在英国国家物理实验室（NPL）和欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）完成，加载速率按照ASTM D695标准设定为0.2 mm/min。试验过程中采用数字图像相关（DIC）技术获取过渡区全场应变分布，同时布置应变片监测关键位置的局部应变响应。数值模拟方面，利用ABAQUS建立了八分之一对称模型，采用连续壳单元模拟两层结构，引入Hashin失效准则结合线性牵引-分离损伤演化规律预测损伤起始与扩展。材料弹性常数部分依据混合法则计算（纤维体积分数55%，纤维模量238 GPa，基体模量2.85 GPa，计算得UD层纵向模量132 GPa、横向模量6.29 GPa），编织层模量基于文献中IM7纤维UD层与编织层模量比值（2.19）推算为60 GPa。损伤起始强度参数和临界应变能释放率取自相似层合板文献。
**研究结果**
**载荷-位移响应与失效模式**
三根支撑柱的失效载荷范围为11.8至13.5 kN，与有限元预测值13.1 kN的偏差在10%以内。Strut-2在约9 kN处出现一次载荷突降后恢复正常刚度继续承载至最终失效，该现象与其过渡区应变片在9-10 kN处斜率变化一致，表明损伤在此载荷水平起始。三根试件的破坏位置均位于几何过渡区，断口观察未在其他区域发现损伤。
**全场应变分布**
DIC测量的纵向应变场显示，压缩载荷下过渡区出现应变符号反转——由压缩转变为拉伸，峰值拉伸应变在7-8.5 kN载荷下达0.2-0.3%。这源于15°过渡角引起的局部屈曲，外表面向外弯曲变形产生拉伸应变。环向应变全场图显示泊松效应引起的拉伸应变，最大为0.75%。试件主柱体上的小圆孔周围未观察到应变集中，与椭圆孔长轴平行于加载方向的几何设计一致。有限元计算的应变分布与DIC实验测量吻合良好。
**关键点应变监测**
应变片数据显示，靠近过渡区的纵向应变呈压缩特性（Strut-2在8.5 kN时约2000 με），与DIC结果一致。环向应变呈拉伸特性，Strut-3过渡区附近在8.5 kN时达6000 με（接近DIC的7500 με），并在9-10 kN出现斜率变化，指示刚度下降和损伤起始。初始缺陷附近的应变值（Strut-2裂纹附近环向约1000 με；Strut-3分层附近应变远低于过渡区）均未超过材料许用值，说明初始缺陷对失效位置和载荷无明显影响。
**应力分析与Hashin失效预测**
有限元应力分析揭示了过度区应力重新分布的机理——纵向应力在过渡点外表面由压缩转为拉伸，峰值达300 MPa（编织层），内层UD层由于模量更高产生约1000 MPa压缩应力槽。局部坐标系下，编织层沿45°纤维方向主应力与全局应力相似，面内剪应力接近材料剪切强度35 MPa；UD层横向拉伸应力由泊松效应驱动。Hashin失效指数计算表明：在9 kN载荷下最大失效指数为0.83-0.92（尚未损伤）；10 kN时编织层失效指数达到1.0，损伤区宽度约3.6 mm；接近失效载荷的13 kN时内、外层均出现显著损伤区域（外层约10 mm宽，内层约4.7 mm宽）。预测的损伤区域与断口观察的编织层和UD层损伤特征一致，表明拉伸应力耦合剪应力的基体开裂是主要失效模式。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，结构失效行为由几何过渡区的应力集中控制，而非制造初始缺陷主导。参数敏感性研究表明，过渡角度±20%的变化会导致预测失效载荷在6.9至16.6 kN之间波动，凸显了几何特征在结构设计中的决定性作用。试验后的宏观和显微检查确认，内层UD层的基体开裂源于泊松效应引起的横向拉伸应力，这一应力超过了环氧基体相对较低的强度。三根支撑柱均未观察到初始缺陷的扩展或张开，裂纹被证实为铺层卷绕时的拼接缝，粘接剂有效密封了该缝。研究同时承认小样本量（三根试件）是局限性之一，两个实验室间的设备差异反而验证了损伤位置和失效载荷由过渡区几何特征控制这一结论的稳健性。
研究的核心结论可归纳为：（1）该设计的主要失效模式是几何过渡区引发的损伤萌生与扩展，15°过渡角导致局部屈曲和拉应力集中，在编织层外表面产生接近材料拉伸强度的最大主应力350 MPa，引发基体开裂；（2）高轴向应力集中引起的环向拉应力，结合UD层横向强度较弱的特点，导致内层表面基体开裂；（3）微小初始缺陷对损伤位置和失效载荷无实质影响；（4）基于Hashin准则的有限元模型在失效载荷与应变分布方面与实验数据取得良好一致性，具备工程预测能力。该研究为复合材料支撑柱的几何设计提供了定量分析依据，也为含缺陷结构的损伤容限评估提供了实验支撑。论文发表在《COMPOSITE STRUCTURES》。
