《Polymer Composites》：Multiscale Modeling of Hole Damage Evolution During Dynamic Installation of Interference Bushings in CFRP
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金属干涉衬套的动态安装已展现出显著提升碳纤维增强聚合物（CFRP）连接件力学性能的潜力。然而，其延长剩余寿命的潜在机制仍未得到充分理解。本研究采用自上而下的多尺度建模方法阐明该机制。将全尺寸宏观模型与微观损伤模型相耦合，以评估不同动态安装速度对孔周损伤的影响。
金属干涉衬套的动态安装已展现出显著提升碳纤维增强聚合物（CFRP）连接件力学性能的潜力。然而，其延长剩余寿命的潜在机制仍未得到充分理解。本研究采用自上而下的多尺度建模方法阐明该机制。将全尺寸宏观模型与微观损伤模型相耦合，以评估不同动态安装速度对孔周损伤的影响。在宏观层面，建立了多速率动态安装模型，用于模拟渐进损伤演化并确定整体材料响应，作为微观模型的输入。在微观层面，采用代表性体积单元（RVE）模型，施加宏观应变场作为边界条件，以精确捕捉局部损伤力学机制，特别是在孔附近提供更详细的应力与损伤分布。该框架通过横截面显微照片进行了实验验证。多尺度分析揭示，较高的安装速度可获得更优异的干涉均匀性和更均衡的轴向损伤分布，从根本上促进了CFRP结构在循环载荷下疲劳性能的提升。
碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高比强度而在众多工程领域得到广泛应用。然而，在机械复合连接件中，钻孔工艺会破坏材料连续性并引发应力集中。研究表明，约60%–80%的CFRP机械连接件失效发生在孔周区域。干涉配合紧固技术自问世以来已被证明能有效提升含孔结构的疲劳寿命，该技术通过实现紧固件与孔壁的紧密接触，并引入局部预应力来改善连接件的承载能力。近年研究进一步揭示，动态或高速安装方法能带来更稳定的疲劳寿命提升。Wang等人[17, 18]的研究表明，以更高速度将干涉螺栓安装至CFRP孔中可显著降低插入力，从而减少孔表面损伤，并转化为更优的干涉配合接头承载性能。Guo等人[20]研究了金属衬套在CFRP孔中的高速安装，发现更高的安装速度亦可使衬套膨胀更均匀，最终提升疲劳性能。
然而，现有研究大多集中于干涉配合接头的承载性能和失效状态，主要采用实验测试与宏观数值分析来研究接头行为和失效模式，这些方法难以全面揭示干涉安装过程中CFRP材料内部损伤起始位置和损伤扩展机制等关键现象。这一局限性源于复合材料固有的非均质性和多尺度特性，仅靠宏观数值分析无法准确捕获跨尺度效应。为在不产生过高计算成本的前提下捕捉微尺度损伤机制，多尺度建模方法被提出，主要分为并发式和层级式两类。层级式方法通过提取特定信息作为宏观与微观模型间数据传递的桥梁介质，建立自上而下或自下而上的单向耦合关系。其中，自上而下的多尺度建模方法常用于研究复合材料的损伤机制。尽管已有诸多进展，但采用多尺度建模方法研究金属衬套动态安装至复合材料孔中所诱发的损伤机制的相关文献仍明显缺乏。
为研究不同衬套安装速度对CFRP孔损伤的影响，研究人员提出了一种自上而下的顺序多尺度建模方法。在宏观层面建立了多速率动态安装模型，模拟CFRP孔周渐进损伤演化及整体结构响应；随后将宏观模型中关键区域单元的应变信息传递至微观模型。微观模型利用RVE，以宏观应变场作为边界条件，精确捕捉局部微观损伤机制，特别是提供孔周应力与损伤分布的更精细信息。研究人员将包含宏观与微观尺度的多尺度框架与安装实验获得的横截面显微照片进行对比验证。该多尺度方法的实施加深了对安装速度如何影响CFRP损伤的理解，并阐明了疲劳承载能力增强的微观机制。
在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术。宏观层面，利用Abaqus R2022x建立了全尺寸三维有限元模型，采用用户材料子程序（VUMAT）分析高速安装过程中的应力分布与损伤演化；模型中CFRP层合板逐层建模，并在相邻层间插入零厚度内聚力单元（COH3D8）模拟分层。微观层面，利用LS-DYNA建立了50 μm × 50 μm × 50 μm的RVE模型，采用基于连续损伤力学的MAT_261模型描述碳纤维的正交各向异性行为及损伤演化，采用MAT_169模型模拟树脂基体的弹塑性和损伤行为，纤维/基体界面则通过tiebreak接触算法模拟。模型中的纤维直径为7 μm，基体体积分数为33%，纤维空间分布由基于Python的算法生成。宏观模型的位移-时间曲线被提取并作为微观模型的加载输入。以13、24和40 m/s三种安装速度开展实验，所用CFRP层合板由T700/7901碳纤维/环氧体系单向预浸料制成，来自中国光威复合材料有限公司，铺层顺序为[45°/0°/?45°/90°/45°/0°/?45°/90°/45°/0°]
s，共20层，名义厚度2.6 ± 0.02 mm。衬套材料为321不锈钢，芯轴为Ti-6Al-4V钛合金。
研究人员获得的主要研究结果如下：
4.1 疲劳试验结果：在13–40 m/s的高速安装范围内，安装速度与疲劳寿命呈正相关。与13 m/s基线相比，24和40 m/s的峰值安装速度分别使疲劳寿命增加1.27倍和1.84倍。疲劳试验后对试样最小截面进行光学显微镜观察发现，随着安装速度的提高，损伤模式从多源发生向连续型转变。13 m/s速度下以多源基体开裂和纤维压溃为主；24 m/s下出现基体开裂、纤维扭结、分层和纤维错位等连续型损伤；40 m/s下主要为沿纤维方向45°连续错位。
4.2 模型验证：为验证微观模型的准确性，研究人员将RVE模拟得到的孔周环向应力与宏观模型结果进行了对比。基于经典层合板理论和柔度变换方程，通过分析推导获得了任意角度位置的孔周应力。结果表明，两种模型的应力分布均呈特征性的花生形，峰值应力出现在垂直于纤维方向的位置，且宏观模型在平行于纤维方向还存在一个较低的次峰。孔入口和出口附近位置的应力明显更高，而安装速度的增加总是导致孔周环向应力的整体降低。
4.3 CFRP损伤行为分析：宏观模型分析显示，CFRP损伤主要集中于孔的入口和出口区域，由衬套径向挤压及出入口表面缺少面外支撑，引发了分层、纤维弯曲、纤维劈裂和基体开裂等复杂损伤模式，与扫描电镜（SEM）横截面照片吻合良好。微观RVE模型分析表明，在13 m/s速度下出现纤维断裂，与SEM显微照片中观察到的纤维断裂现象一致；而在24和40 m/s速度下纤维基本保持完整。安装速度的提高使相同位置处的基体损伤减轻，表现为被删除基体单元数量的减少。在13 m/s条件下，纤维表现出较高的等效应力值，表明存在残余应力并保留了残余承载能力。研究人员进一步提出了孔周基体损伤指数和孔周纤维损伤指数两个新指标，通过对RVE峰值应力的外推量化各铺层的总体损伤状态。结果表明：孔入口和出口附近损伤较严重，出口损伤大于入口；安装速度提高使基体和纤维损伤指数均降低，且不同位置间损伤指数的差异缩小，即更均匀的损伤分布。
在讨论中研究人员指出，多尺度分析揭示的高速安装优势机制在于：更高的安装速度不仅降低了孔周损伤的总体严重程度，还使损伤沿孔轴向的分布更加均匀，消除了损伤集中带来的早期失效风险。这种均匀化的损伤状态使得结构在疲劳载荷下具有更高的损伤容限，能够承担更多的循环次数，从而转化为宏观疲劳寿命的提升。最终结论是，多尺度模拟结果证明，提高安装速度不仅减轻了损伤的总体严重程度，还使沿轴向的损伤分布均匀化，从而最终实现了所观察到的疲劳寿命增益。
