1. Progressive failure analysis of 2D woven composites at the meso-micro scale
二维机织复合材料细观-微观尺度的渐进失效分析
翻译：党浩源
本文以应力放大因子概念为基础，通过和数值仿真方法相结合，提出了微细观协同式多尺度仿真方法，从而预测了二维斜纹机织复合材料在准静态加载条件下的渐进损伤行为。在仿真计算过程中，首先将单胞（细观尺度）在积分点处的力学信息通过应力放大因子传递到纤维和基体（微观尺度）上。随后，分别采用最大主应力失效准则和交互式失效准则预测纤维和基体的损伤起始，同时采用基于等效位移的双线性本构关系来描述组分材料的刚度退化过程。最后，在微观尺度上，通过微观力学模型（Chamis模型）进行刚度均匀化处理，并将均匀化后的力学性能重新传递回细观尺度，从而实现力学信息和损伤信息在不同尺度之间的实时交互。通过和试验结果进行对比，可以发现当前的仿真模型能够准确预测材料在准静态载荷下的力学响应，同时可以在细观尺度上反映材料在微观尺度上发生的纤维损伤和基体损伤等典型损伤特征。
图1.（a）二维斜纹机织复合材料示意图；（b）二维斜纹机织复合材料在准静态拉伸载荷下的力学响应示意图；（c）二维斜纹机织复合材料在准静态载荷下的微观损伤模式示意图
Wang L, Wu J, Chen C, Zheng C, Li B, Joshi SC, Zhou K. Progressive failure analysis of 2D woven composites at the meso-micro scale. Compos Struct 2017; 178, 395–405.
2. Dynamic characterization of interlaminar fracture toughness in carbon fibre epoxy composite laminates
碳纤维环氧复合材料层合板层间断裂韧性的动态表征
翻译：曹俊超
分层是复合材料受到动态冲击载荷作用时最常见的失效形式之一，会显著降低材料的刚度和强度且没有明显的目视损伤。该文测试了不同加载速率下两种不同材料体系（IM7/8552和IM7/M91）单向层合板的I型层间断裂韧性。准静态试验采用螺旋驱动试验机对双悬臂梁（double cantilever beam, DCB）试样进行加载，加载速率为0.5-450 mm/min；动态试验基于楔形插入断裂（wedge insert fracture, WIF）试样并采用液压系统进行加载，加载速率为100-2000 mm/s。一对应变片粘贴在WIF试样的上下表面远离裂纹尖端的位置，记录的应变最大值被用来结合柔度标定法以确定动态断裂韧性。试验结果表明IM7/8552层合板没有明显的率效应而IM7/M91层合板的断裂韧性随着加载速率的增加而增加，在加载速率为500 mm/s时达到最大。最后结合有限元模型验证了动态测试过程中应变采集及数据处理方法的准确性。
图2.（a）动态断裂试验设备；（b）试验得到的断裂韧性结果；（c）试验和模拟得到的应变信号对比；（d）基于有限元响应采用WIF数据处理方法得到的断裂韧性与试验结果对比；
Riezzo M A, Simmos M, Russell B, Sket F, Martínez V, González C. Dynamic characterization of interlaminar fracture toughness in carbon fibre epoxy composite laminates. Compos Part A Appl Sci Manuf 2019; 126: 105597.
3. A cohesive-based method to bridge the strain rate effect and defects of RTM-6 epoxy resin under tensile loading
一种基于内聚力模型的RMT-6环氧树脂拉伸行为应变率效应和缺陷的关联方法
翻译：顾佳辉
已有研究表明，环氧树脂的拉伸行为往往与加载速率相关，但该效应与缺陷的关系有待进一步研究。该文利用准静态原位加载平台和霍普金森拉杆装置对RTM-6环氧树脂进行了应变率范围0.003 /s~160 /s的拉伸测试，结果表明该材料随应变率增大而表现出更高的强度、模量和更小的失效应变，且整体响应由非线性趋向线性。针对该现象，作者提出了一种控制缺陷比例来等效应变率效应的数值仿真方法。通过在试样轴向切面的二维平面模型的单元间插入零厚度内聚力单元，将含缺陷与否的两种内聚力模型按一定比例分配后，实现了对不同应变率下的试验应力应变响应和断裂面的复现。该研究结果表明，含缺陷内聚力单元的比例与应变率呈正相关，且高应变率下会诱导发生多个裂纹扩展路径。该文认为缺陷可能是该类材料存在应变率效应的原因之一，为相关研究提供了新的思路和方法。
图3.（a）有限元模型与网格划分；（b）两种内聚力模型；（c）应变率0.003 /s时模型预测结果与试验结果对比；（d）应变率130 /s时模型预测结果与试验结果对比
Ma D, Elmahdy A, Verleysen P, Giglio M, Manes A. A cohesive-based method to bridge the strain rate effect and defects of rtm-6 epoxy resin under tensile loading. Procedia Structural Integrity 2020;28:1193-1203.
4. Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites
预测平纹编织CFRP复合材料低速冲击和冲击后压缩行为的多尺度建模框架
翻译：刘鹏
编织复合材料在低速冲击载荷后出现的内部损伤难以发现，但其剩余强度却会受到较大影响。该文建立了多尺度模型框架来预测平纹编织碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的低速冲击（LVI）和冲击后压缩（CAI）行为，并开展了相关试验进行验证。微观RVE模型用于预测碳纤维束的刚度和强度参数（图4（a））；结合得到的纤维束参数和连续损伤模型，构建细观RVE模型来确定平纹编织层合板的力学性能（图4（b））；对细观模型进行局部均匀化得到等效交叉层合板（ECPL）模型（图4（c）），基于ECPL模型进行了平纹编织CFRP复合材料LVI和CAI仿真。试验与仿真结果吻合较好（图4（d）和（e）），表明了多尺度模型框架的准确性；研究结果表明冲击损伤尤其是分层损伤，易导致平纹编织复合材料剩余压缩强度降低。
图4.（a）微观RVE模型；（b）细观RVE模型；（c）宏观ECPL模型；（d）LVI试验与仿真对比；（e）CAI试验与仿真对比；（f）CAI仿真失效模式.
Zhao Q, Wang W, Su J, Liu Y, Hou Y, Li J, Li C. Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites. Compos Struct 2022; 299: 116090.
5. Bird impact response and damage mechanism of 3D orthogonal woven composite aeroengine blade
三维正交机织复合材料叶片鸟撞动态力学响应和损伤机理研究
翻译：陈小鹏
三维机织复合材料在发动机叶片中有较大应用前景。该文以三维机织复合材料风扇静子叶片为研究对象，开展了不同应变率下三维机织复合材料基础力学性能试验，建立了基于Hashin准则和CDM法定义损伤起始和损伤演化的均匀化仿真模型，对三维机织复合材料风扇静子叶片中部和前缘在不同质量和速度下的鸟撞动态力学响应和损伤行为进行研究，如图5(a)所示。该文的主要结论如下：（1）所研究静子叶片的损伤模式一般为窄叶根端的边缘损伤、窄叶根端的断裂、冲击位置的损伤和叶片的完全断裂破坏，窄叶根端和冲击位置为风险位置；（2）叶片在不同质量鸟体冲击下的损伤阈值和损伤演化规律（如图5(b)所示）有差异，在相同初始动能下，由于较大质量鸟体的初始接触面积较大，使得能量的初始传递和耗散面积较大，因此其它条件相同时较大质量鸟体的损伤阈值较高；（3）对比窄叶根位置的各经向、纬向应变片测量值，证明了所建立的宏观均匀化模型对叶片鸟撞响应具有较好的预测能力，但部分位置的应变仿真值低于试验值，如图5(c)所示，推测由于均匀化模型导致，即实际粘贴于富树脂区的应变片测得的试验值高于仿真值。
图5.（a）三维正交机织复合材料风扇静子叶片鸟撞均一化仿真示意图；（b）不同质量和不同速度的鸟体撞击三维正交机织复合材料风扇静子叶片损伤演化示意图（撞击点为叶片中部位置）；（c）窄叶根处部分应变测量点位的试验和仿真对比示意图（撞击点为叶片中部位置）。
[1] Liu L, Shao H, Zhu X, Zhao Z, Zhang G, Luo G, Chen W. Bird impact response and damage mechanism of 3D orthogonal woven composite aeroengine blades[J]. Comput Struct 2023, 303:116311.
[2] Liu L, Yang Z, Ji J, Chen G, Luo G, Chen W. Development and experimental verification of a modified constitutive model for 3D orthogonal woven composite under bird impact. Compos Struct 2023; 303: 116305.
6. On the fracture behaviour of aerospace-grade Polyether-ether-ketone composite-to-aluminium adhesive joints
航空级聚醚醚酮复合材料-铝胶接头断裂行为研究
翻译：党志龙
本文制备了基于弯曲刚度匹配的CF/PEEK复合材料与2024-T3铝合金的异质材料胶接试样，由两种航空航天薄膜胶粘剂即AF163-2OST和AF163-2K粘结而成，并对CF/PEEK复合材料在胶粘接前进行紫外照射，研究了CF/PEEK-Al接头的I型、II型和混合型断裂行为以及断裂机理。试验结果表明，在CF/PEEK基材上持续7 s的快速紫外处理能显著提高胶粘剂与CF/PEEK基材的附着力，在I型、II型和混合型断裂过程中，防止了胶接/复合界面处胶接接头的失效，并将裂纹迁移到AF163-2OST接头的粘合层或AF163-2K接头的CF/PEEK基材中，这基本上意味着已经获得了通过使用表面处理方法可以实现的胶接接头的最高结构完整性。同时，断裂试验的结果还指出了胶粘剂是影响胶接接头裂纹扩展行为和断裂能量的关键因素。
图6. AF163-2K胶接断口表面的代表性照片和显微镜图像。
Quan D, Wang G, Zhao G, et al. On the fracture behaviour of aerospace-grade Polyether-ether-ketone composite-to-aluminium adhesive joints. Compos. Commun. 2022; 30: 101098.
7. Investigation on the compressive damage mechanisms of 3D woven
composites considering stochastic fiber initial misalignment
考虑随机纤维初始波动影响的三维机织复合材料压缩损伤机理研究
翻译：魏海涛
该文通过数值仿真结合试验方法研究了三维机织复合材料的压缩损伤机理。仿真模型采用一种能够表征纤维扭结破坏、横向纤维间裂纹、基体损伤和界面脱粘的综合渐进损伤数学模型，以预测纤维束内的损伤累积。通过对材料的编织结构进行微观观察，从整个交织结构中提取出具有足够代表性的周期性代表体积单元，整个单胞结构包括纤维纱线、基体和纱线与基体间的界面。此外，通过编译用户自定义子程序，给与单胞结构的层间纱线三种不同的纤维波动分布，参数化地研究了非均匀纤维初始波动对三维编织复合材料压缩性能的影响。为了验证所提出的渐进损伤模型的可靠性，对三维编织复合材料进行了一些相应的试验。数值预测的材料强度和损伤扩展与试验结果表现出良好的一致性。
图7.(a) 3D材料的细观编织结构(b) 三种纤维波动角度的随机分布
Tao Zheng, Licheng Guo, Ruijian Sun, Zhixing Li, Hongjun Yu,Investigation on the compressive damage mechanisms of 3D woven composites considering stochastic fiber initial misalignment,Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,Volume 143,2021,106295,ISSN 1359835X
8. Parametric analysis of runway stone lofting mechanisms
跑道石材放样机构参数分析
翻译：夏荣柱
为了评估飞机在跑道上滑跑时石头撞击的可能性，本文通过进行数值模拟和落锤冲击实验，研究了影响跑道碎片放样机制严重程度的各种因素。首先，对从机场收集的石头的几何特征进行分析，得出了轮胎在不同形状、不同重叠、不同方向和密度的石头上滚动的通用模型。然后，通过数值仿真分析直径为0.4米的飞机轮胎以70米/秒的滚动速度压缩各种形状的石头。研究发现直径为10毫米的球形石头以35米/秒的最大垂直速度被抛出，对于同等质量的卵形石头，根据石头的朝向不同，发射速度要低11-34%，同时发现形状规范的物体表现出不同的放样机制和较低的角速度。其中，最有利于放样的条件是非常坚硬、直径小、尖角的轮胎在地面上滚动，并且石头的速度与轮胎胎面硬度的平方根近似成正比。
图8.(a)10毫米的石头被实心橡胶轮胎压缩的数值模拟；(b) 轮胎压缩球形石头的仿真过程；(c) 球形石头和定向分别为0o和90o卵形石头被轮胎挤压后的垂直发射速度；(d)不同轮胎刚度系数条件下石头的速度。
Nguyen SN, Greenhalgh ES, Olsson R, Iannucci L, Curtis PT. Parametric analysis of runway stone lofting mechanisms, Int J Impact Eng, 2010, 502-514.