1. A combined experimental and numerical approach to investigate the failure behaviors of 3D woven composites under biaxial tensile loading
实验与数值相结合的双轴拉伸荷载下三维编织复合材料失效行为研究方法
翻译：刘鹏
复合材料在航空航天领域使用时通常处于复杂的负载条件，对其力学响应缺乏深入了解将阻碍复合材料在实际应用中的发展。该文采用实验和仿真相结合的方法研究了三维编织复合材料（3DWC）在双轴拉伸荷载作用下的破坏行为：首先根据试验要求设计合适的3DWC双轴十字形试样，在伺服液压双轴试验机上进行双轴拉伸试验（图1（a）），分析试样的全场应变分布和裂纹形貌；接着建立3DWC的细观单胞模型，并开发一种新方法重建细观3DWC全尺寸双轴十字形试样模型；利用应力放大因子，建立细观应力和微观应力的传递关系，结合微观力学破坏理论，提出了一种多尺度损伤本构。结果表明：设计的试样形状能够满足双轴试验要求，仿真模型能够很好地模拟损伤形貌（图1（b）），试验与仿真的力学响应吻合情况良好（图1（c））；纤维束的纤维断裂、基体开裂和纯基体破坏是该试样的主要损伤模式。
图1.（a）MTS双轴试验机和3维DIC设备；（b）试验和仿真的试样表面裂纹形貌对比；（c）试验和仿真的试样中心区应变-拉伸载荷曲线对比.
Zheng T, Huang J, Guo L, Sun R, Huang T, Zhou J, Jia F, Hong C. A combined experimental and numerical approach to investigate the failure behaviors of 3D woven composites under biaxial tensile loading. Compos Sci Technol 2023; 236: 109974.
2. Fracture toughness measurement without force data – Application to high rate DCB on CFRP
无载荷数据的断裂韧性测定-应用到CFRP的高速率DCB测试
纤维增强复合材料在高速率下的断裂韧性测试方法多年以来一直是一个难点问题，其中高速率加载方法、载荷和裂纹长度的准确测量方法等问题至今尚未很好的解决。该文采用楔形装置直接加载双悬臂梁（double cantilever beam, DCB）试样，高分辨率高速相机用来监测裂纹扩展，并采用基于试样挠度和裂纹长度的梁理论来确定断裂韧性。该方法可以实现I型裂纹的对称张开和断裂韧性的鲁棒分析，而不需要监测施加在试样上的外载荷以及裂纹长度的直观估计。然后开展了碳纤维环氧复合材料在准静态和高速率（15 m/s）的I型断裂测试验证了该方法的准确性与有效性。试验结果表明该文研究的复合材料在当前的加载速率下没有明显的率相关性，且试样的动能影响可以忽略。
图2.（a）基于Hopkinson杆的楔入式加载I型断裂试验设备；（b）基于高速相机采集的梁的挠度变形并采用梁理论确定裂纹尖端；（c）DCB试样的上下悬臂梁的中心线在纵向上的坐标变化（初始左边为0）；（d）不同加载速率下的断裂韧性及试样动能；
Isakov M, May M, Hahn P, Paul H, Nishi M. Fracture toughness measurement without force data – Application to high rate DCB on CFRP. Compos Part A Appl Sci Manuf 2019; 119: 176-187.
3. Numerical modelling of ice:Mechanical behaviour of ice under high strain rates
冰在高应变率下力学性能的数值模拟方法研究
翻译：陈小鹏
数值模拟是研究冰撞问题及结构抗冰撞设计的重要方法，能够精确表征高应变率下冰力学行为的冰数值模型是冰撞数值模拟的重要基础。该文开展了系统性的冰数值模拟研究，主要工作和结论如下：（1）开展了基于准静态巴西圆盘试验和准静态/动态压缩试验，如图3(a)所示，发现冰的强度呈高应变率强化效应；（2）基于含损伤修正的JC模型和JH-II模型，拟合了冰本构参数；（3）基于弹塑性平板冲击试验和刚性靶板冲击试验，验证了所得含损伤修正的JC模型和JH-II模型对结构响应的预测精度，发现在350 J的冲击能量下，两种模型均有较好的预测精度，如图3(b)所示，但含损伤修正的JC模型所表征的冰的塑性偏大，如图3(c)所示；（4）对比了试验和数值模拟中冰冲击过程的损伤演化，发现数值模拟可以较好地预测冲击载荷达到峰值时冰的破坏行为。
图3.（a）冰的制备过程和冰的准静态、动态力学性能测试示意图；（b）不同冲击能量下JC模型和JH-II模型对刚性靶板载荷峰值的预测精度示意图（当冲击能量大于350 J时，试验值呈50 kN平台段，JC模型预测值呈增长趋势，JH-II模型预测值呈60 kN平台段）；（c）JC模型和JH-II模型对弹塑性靶板和刚性靶板的冲击响应预测精度示意图（左图为冰球冲击弹塑性靶板在不同时刻的法向位移示意图，0.2 ms时刻，JC模型预测值在靶板中心位置较大，在靶板边缘位置较小；右图为冰球冲击刚性靶板的载荷-时间历程，JC模型预测的冲击时间偏大；该文认为，上述两行为的原因均为JC模型所表征的冰的塑性偏大）。
[1] Ma D, Li X, Manes A , Li Y. Numerical modelling of ice: Mechanical behaviour of ice under high strain rates. Int J Impact Eng 2023; 172:104375.
4. Failure mechanism of bonded joints with similar and dissimilar material
同种与异种材料粘结接头的破坏机理
由于复合材料与轻质金属结合制成的异种材料接头对燃油效率和轻量化的重大影响，目前粘结接头结构被广泛用于汽车等行业。本文以金属-复合材料、相似复合材料和异种复合材料单搭接剪切粘结接头为研究对象，采用拉伸试验和有限元分析方法进行了破坏模式和强度评估，探讨了影响粘结接头破坏载荷的因素。通过分析各种粘接接头案例的测试结果，得到以下结论：（1）金属与复合材料的粘结出现复合材料分层破坏的粘附失效，而其它结构表现为粘结失效，并且在断裂面中观察到边界线，这是塑性变形的边界；（2）粘结失效情况下，破坏载荷随搭接长度的增加线性增加，而粘附破坏的破坏载荷在搭接长度达到一定值后收敛；（3）有限元分析结果表明，由于单搭接粘结的不对称性，应力和应变集中在搭接区域的两端；（4）基于试验现象，提出了一种新的粘接接头失效预测方法，称为临界粘接失效长度法（CAFL），该方法可以预测胶接失效载荷。
图4. 失效模式（a）粘合失效+内聚失效；（b）粘合失效+分层失效；（c）分层失效（粘附失效）
图5 有限元预测的试样纵向等效塑性应变分布情况
Seyyed Mohammad Hasheminia, Beom Chul Park, Heoung-Jae Chun, et al. Failure mechanism of bonded joints with similar and dissimilar material. Composites, Part B. 2019, 161: 702-8368.
5. Effects of strain rate and temperature on the mechanical behavior of polymethyl methacrylate (PMMA)
应变率和温度对PMMA力学行为的影响研究
翻译：顾佳辉
PMMA材料已经被大量用于飞机和车辆的风挡玻璃，该场景下其动态力学性能以及温度效应备受关注。该文采用DMA动态热机械分析仪、准静态试验机和霍普金森压杆装置，对两种型号的注塑成型PMMA试样在环境温度为243 K ~ 373 K和应变率为10-3s-1~ 103s-1条件下的力学行为进行了系统地实验研究。结果表明，两种PMMA均具有明显的应变速率和温度敏感性，其压缩模量和屈服强度随应变速率的增加而增加。但应变率敏感因子随温度升高而减小，表明高温会弱化材料的应变率效应。此外，材料牌号也有着不同的影响，PFE50 PMMA对温度更敏感，而CM207 PMMA对应变率更敏感。在243 K低温环境下，两种PMMA均表现出脆性断裂特征。CM207 PMMA的碎片化程度比PFE50 PMMA严重。而高温下，PFE50 PMMA由脆性变为延展性，但PFE50 PMMA仍保持脆性。基于上述实验结果，采用修正后的ZWT本构模型较为准确地描述了PMMA的应变速率和温度相关非线性力学响应。该文的研究结果对于相关材料力学行为的进一步研究提供了方法和数据支撑。
图5.（a）霍普金森杆试验装置；（b）高应变率加载后的试样断口形貌；（c）屈服应力随温度和应变率的变化关系；（d）高应变率下的本构模型预测结果与实验结果对比
Li L, Zhang Y, Sun L, Hu H. Effects of strain rate and temperature on the mechanical behavior of polymethyl methacrylate (PMMA). Polym Bull 2022.
6. Shape characteristics and crushed law of deep sandstone impact crushed blocks based on digital reconstruction
基于数字重建的深部砂岩冲击破碎块体形状特征及破碎规律
翻译：夏荣柱
为了研究深部砂岩冲击破碎块体在不同冲击载荷下的形状特征和破碎规律，本研究对砂岩试件进行了不同冲击载荷下的分离式霍普金森压杆试验，然后基于3D扫描和数字图像处理技术建立了破碎块的数字三维模型，并对破碎块的形状参数进行了统计分析。结果表明，随着冲击载荷的增加，碎块的整体形状变得不规则，棱角性和表面纹理更加明显。随着冲击载荷的增加，试样的破碎程度也变得更大，表现为块数的增加和粒径的减小。其中碎块的比表面积（单位质量砂石的表面积）与粒径呈负相关，两者之间的关系基本是幂函数y=25.04*x-1.12，破碎块粒径分布的离散度与载荷呈正相关。随着冲击载荷和输入能量的增加，碎块的形状逐渐丰富，试样的断裂形式逐渐从大块断裂变为小块断裂。当应变率在54 s-1和143 s-1之间时，吸收能量密度受应变率的影响较小，当应变速高于143 s-1时，吸收的能量密度与应变率之间的相关性显著增加。
图6.(a) 碎石块的三维重建； 图(b) 不同应变率下砂岩的吸收能密度和压缩强度；图(c) 不同冲击载荷下粒径组数。
Zheng TL, Zhang QH, Yuan L, Liu ZZ, Niu LH, et al. Shape characteristics and crushed law of deep sandstone impact crushed blocks based on digital reconstruction. Int J Impact Eng, Volume 174, 2023, 104525.
7. Response of 3D woven composites under low velocity impact with different impactor geometries
三维机织复合材料在不同形状的子弹冲击下的低速冲击响应
该文通过实验和数值仿真研究了子弹形状对三维机织复合材料低速冲击行为的影响。试样是由玻璃纤维和不饱和聚酯树脂制成。分别采用锥形、半球形和平头三种不同形状的子弹开展了低速冲击实验，实验后利用显微镜和光学图像对试件的损伤模式和损伤区域进行了检测。同时，使用有限元软件ABAQUS对冲击实验进行了仿真模拟，比较了不同子弹冲击造成的接触力、位移和耗散能等变量并将仿真结果与实验结果进行对比，结果吻合较好。分析结果表明，冲头越钝，冲击造成的损伤面积越大，阈值载荷也越大。然而，损伤起始时间与冲头形状无关。此外，冲头形状和贯穿纱纤维体积分数对复合材料的损伤影响较大。
a.三维机织复合材料编织结构 b.三种形状子弹冲击有限元模型
Behzad Kazemianfar, Meysam Esmaeeli, Mohammad Rahim Nami,Response of 3D woven composites under low velocity impact with different impactor geometries,Aerospace Science and Technology,Volume 102,2020,105849,ISSN 1270-9638