1. In-situ quantitative tracking of micro-crack evolution behavior inside CMCs under load at high temperature: A deep learning method

高温载荷下CMC内部微裂纹演化行为的原位定量跟踪：一种深度学习方法

      陶瓷基复合材料中微裂纹的演化行为对其失效机理的分析至关重要。该文开发了一种基于生成对抗性网络的深度学习微裂纹分割方法，用原位X射线计算机微断层扫描（μCT）定量表征CMC在高温拉伸载荷下的微裂纹演化行为。该方法实现了对μCT图像中微裂纹的精确而稳健的分割，得到了各微裂纹的裂纹开孔面积、开孔位移和裂纹体积等裂纹参数。发现在高载荷水平下，一些大型微裂纹的裂纹参数显著增加。还跟踪了每个微裂纹的演变，进一步确定了主导最终失效的临界损伤。其中，表现出更显著体积演变的四个最大裂纹被捕获为主裂纹，最终断裂发生在这些主裂缝附近。这些主裂纹都源于预先存在的微裂纹，通常是由相邻的小微裂纹随着拉伸载荷的增加而聚集而形成的。

图1.（a）生成对抗性网络的网络结构；（b）裂纹开口位移场。

Zhu R, Niu G, Qu Z, Wang P, Zhang R, Fang D. In-situ quantitative tracking of micro-crack evolution behavior inside CMCs under load at high temperature: A deep learning method. Acta Mater. 2023;255. 119073.

2. Experimental and numerical investigation on the ballistic resistance of 2024-T351 aluminum alloy plates with various thicknesses struck by blunt projectiles

不同厚度2024-T351铝合金板受钝头弹丸冲击的实验和数值研究

      实验测试和数值模拟是研究材料力学行为的两种有效研究方法。该文通过实验和数值模拟方法，研究了四种不同厚度（2、4、4.82和8毫米）的2024-T351铝合金板在受到钝头子弹冲击时的冲击力学性能。在该文中，首先使用一级空气炮测试装置开展了不同厚度的2024-T351铝合金板的冲击试验，测得了不同厚度靶板的初始-剩余速度数据。冲击试验结果表明，对于不同的靶板，当遭受钝头子弹冲击时，剪切阻塞是主导的失效模式。随后，该文基于ABAQUS/Explicit仿真平台，开展了平行的数值模拟工作。在仿真工作中，使用改进版的Johnson-Cook（MJC）模型来描述靶板的塑性力学行为。另外，为研究Lode角参数项对预测金属断裂力学行为的影响，改进版的Mohr-Coulomb（MMC）准则和Johnson-Cook断裂准则依次被用来描述靶板的断裂力学行为。仿真结果显示，额外考虑了Lode角参数项的MMC准则可以更好地预测2024-T351铝合金的冲击力学响应。该文研究结果充分展示了实验测试与数值模拟相结合的研究方法在研究材料力学行为研究过程中的必要性。

图2.（a）一级空气炮测试装置；（b）实验测试的冲击速度-剩余速度曲线；（c）失效模式；（d）仿真获得冲击速度-剩余速度曲线对比。

Han J, Shi Y, Ma Q, Vershinin VV, Chen X, Xiao X, Jia B. Experimental and numerical investigation on the ballistic resistance of 2024-T351 aluminum alloy plates with various thicknesses struck by blunt projectiles. Int J Impact Eng 2022; 163. 104182.

3. Adjustment of multi-directional elastic properties of chiral metamaterial via a 3D printing-based soft-hard bi-material strategy

基于3D打印的软硬双材料策略对手性超材料多向弹性性能的调整

     手性超材料被广泛用于设计具有多向弹性要求的变形机翼。为了兼顾承载刚度和弯曲能力，该研究提出了一种软硬双材料策略来调节3D打印手性超材料的多向弹性性能（图3（a）），设计并测试了一种由最佳细胞与调节模块组装而成的手性超材料（图3（d））。在大变形的弹性段，数值计算与试验结果吻合较好（图3（b））。通过图像处理得到韧带变形和节点旋转，与理论研究结果有较好的一致性。研究发现，手性细胞的弹性性能可以通过调节模块(ADMs)的位置、大小和数量来调节。通过系统数值计算，得到了最优的ADMs单元。与硬质材料单元相比，优化后的单元等效压缩刚度和弯曲刚度分别降低12.4%和70.88%，等效弹性比提高3倍（图3（c））。手性超材料与细胞的变形具有良好的相似性，这种策略可以帮助开发一种具有综合优势的超材料，为设计变形翼提供解决方案。

 图3.（a）变形翼型的手性细胞拓扑；（b）ADM位于中间韧带的双材料手性细胞的大变形行为；（c）调节模量(ADM)对单韧带的影响；（d）采用3D打印技术制备手性电池。

Zhi Q, Li D, Sun H, Zhu W. Adjustment of multi-directional elastic properties of chiral metamaterial via a 3D printing-based soft-hard bi-material strategy. Comp. Struc. 2023; 307; 116646

4. On pyroshock tests for aerospace equipment qualification:

A comprehensive parametric model for the simulation and the design of pyroshock test facilities

关于航空航天设备测试火工冲击实验：模拟和设计火工冲击实验设施的全面参数化模型

翻译：陈子烨

        航天器及其相关的机载设备在不同的任务阶段都会受到强烈的动态负载影响。特别是，严重的高频冲击通常由火工设备的启动引发（因此得名“火工冲击”），这些冲击会传递到整个结构，可能导致任务失败和关键部分受损。因此，航空航天设备的测试对于验证仪器的抗冲能力很重要。这些指标通常以冲击响应谱（SRS）的形式表达，不同冲击环境导致不同SRS。因此，实验室测试的目标是模拟真实的冲击环境，同时要求安全并且可重复。基于此，最常见的测试设备利用了投射物（例如落锤或子弹）对谐振板的冲击，板被放置在待测试件下。最近，许多研究已经着重于开发数值分析方法来预测这些结构的冲击响应，因为它们的校准目前是通过实验数据进行的，并涉及相当大的成本和时间。这项工作旨在提出一个有效的参数化模型，用于模拟火工冲击测试，并优化测试设备的设计。采用嵌入式计算机辅助设计（CAD）建模器与有限元方法（FEM）求解器集成，以及遗传算法（GA），使所提出的模型既精确又灵活。其灵活性使其能够轻松高效地满足不同的SRS要求，减少校准时间，从而带来显著的经济优势。所提出的模型完全在频域中开发，使其在计算方面既准确又快速。此外，还给出了模拟脉冲与从冲击特性获得的真实力响应曲线之间的比较。 

Viale L, Daga A P, Fasana A, et al. On Pyroshock Tests for Aerospace Equipment Qualification: a Comprehensive Parametric Model for the Simulation and the Design of Pyroshock Test Facilities[J]. International Journal of Impact Engineering, 2023: 104697.

5. Analytical Predictions of Delamination Threshold Load of Laminated Composite Plates subject to Flexural Loading

复合材料层合板在弯曲载荷下的分层载荷阈值的解析预测法

翻译：张寅枭

      在设备上的层合复合材料结构会遭到外物的冲击，从而导致不可预见损伤。该文对粘性区域理论进行了改进，用来预测四周简支复合材料层合板在准静态侵入载荷下的分层拓展。将层合板等效为两个通过粘性层连接起来的次级层合板，并根据一阶剪切变形理论，分别将它们的位移场分解为各自参考面的位移和绕参考面的旋转。结合里兹法，将各位移分量用双三角函数进行描述。利用虚功原理推导出平板的控制方程，从而求解出平板的位移场，进而根据两个次级层合板连接处的相对位移求解出层间应力。当最大层间剪切应力超过剪切强度时，视为分层开始发生，各层发生分层时对应的外载荷中最小值即为分层临界载荷。根据该理论预测了单向层合板和准各向同性层合板的弯曲刚度和临界载荷，以及归一化层间剪应力分布，并通过与有限元结果对比验证了其准确性。（如图5（a）和（b））。

图5.（a）单向层合板和（b）准各向同性层合板的层间剪应力分布理论（左）与有限元（右）预测结果；

Jiawen Xie, Anthony M, & Waas b. Analytical predictions of delamination threshold load of laminated composite plates subject to flexural loading. Compos struc. 179(2017): 181-194.

6. Physics-informed few-shot deep learning for

 elastoplastic constitutive relationships

基于物理的弹塑性本构关系少样本深度学习

翻译:李子琪

      弹塑性建模对于准确预测各种工程应用中的材料行为至关重要。然而，现有的智能建模方法面临着可用数据稀缺的限制，实验可得数据无法支持模型的完全训练。为此，此文提出了一个基于物理的少样本学习框架，将经典弹塑性理论作为先验知识，利用力学不等式（KKT条件）作为物理正则化来限制优化空间，而非直接求解本构常微分方程。利用单轴加载数据，该框架自动校准底层本构模型参数，生成大量多轴数据用于后续训练。同时，该文提出了过拟合校正方法(OCM)，提高训练收敛性。设计了基于Transformer架构的深度学习模型EPformer，捕获弹塑性的长序列自回归和全局历史相关性。文中通过对Voce-Chaboche模型的数值模拟，验证了框架的有效性。基于32组包含恒幅、变幅循环载荷及随机载荷的单轴数据训练模型，预测结果表现出对于单轴状态的出色泛化能力，与纯数据驱动模型相比精度提高了44.9%。由深度学习框架获得材料参数，另生成320组多轴载荷用于弹塑性行为训练，精确预测了高度非线性的多轴弹塑性曲线的同时表现出显著的效率。

图6.（a）多轴载荷的少样本学习方框架；（b）深度学习模型EPformer；（c）过拟合校正方法；（d）理论辅助模型与纯数据驱动模型对单轴随机载荷的预测结果对比；（e）多轴加载状态预测结果。

Wang C, He Y, Lu H, et al. Physics-informed few-shot deep learning for elastoplastic constitutive relationships[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2023, 126: 106907.

7. A novel interface constitutive model for prediction of stiffness and strength in 3D braided composites

用于预测三维编织复合材料刚度和强度的新型界面本构模型

      界面是三维编织复合材料的重要组成部分，对复合材料的力学性能起着重要的控制作用。该文建立了考虑界面的细观有限元模型，对三维编织复合材料的刚度和强度性能进行数值预测。考虑脱粘界面上出现的摩擦，提出了一种新的界面损伤-摩擦组合本构模型，用3D Hashin准则和渐进退化预测纱线和基体的损伤演化。在此基础上，将各成分的连续损伤模型结合介观尺度有限元模型，分析了三维编织复合材料的刚度、强度和损伤性能。通过引入合理的界面本构模型，得到单元内各组分的应力分布和损伤演化，更好地理解组分材料在典型加载情况下的力学响应。此外还发现，界面摩擦系数对复合材料预测强度性能的影响不显著，临界断裂能仅对受损界面元素的损伤演化有显著影响，而对复合材料的预测刚度和强度性能影响不大。为三维编织复合材料界面性能的优化设计和控制提供了参考。

图7. （a）单元结构模型与编织纱线的单元拓扑关系的三维模型;（b）典型载荷下单元模型界面单元的损伤演化过程;（c）预测的弹性常数随界面刚度的变化。

Zhang C , Curiel-Sosa J L , Bui T Q . A novel interface constitutive model for prediction of stiffness and strength in 3D braided composites. Composite Structures, 2017, 163:32-43.

8. Optimization design and 3D printing of

curvilinear fiber reinforced variable stiffness composites

曲线纤维增强变刚度复合材料的优化设计与3D打印

翻译：陆璞健

      单向纤维增强复合材料只适用于具有均匀应力场的结构，具有不连续几何特征（孔洞、缺口等）的复合材料结构不可避免地会出现应力集中，从而降低复合材料的效率。曲线纤维增强复合材料结构（CFRCS）可以通过调整局部纤维的取向和含量来实现局部的刚度改变，从而提高结构的整体性能。本文基于复合材料带孔板的单向拉伸有限元仿真，采用最大应力集中系数的迭代算法，提出了一种基于应力梯度分布的CFRCS优化设计方法。优化设计后的圆孔周围上下两侧纤维含量高，左右两侧纤维含量低，带孔板的最大应力集中系数降低了36%，极限抗拉强度提高了42%。通过提出的优化设计方法，纤维含量分布与应力分布相对应，纤维方向分布与最大主应力方向分布相对应，同时对应力进行重新分布，减少应力集中，提高了极限强度。此外，为了自动制备优化后的碳纤维复合材料，本文提出了一种树脂自适应进料计算方法，计算得到每个纤维轨迹点的树脂进给长度（LE），得到可由3D打印机执行的数据文件，实现了3D打印过程中纤维含量的动态调节。该研究中提出的CFRCS优化设计方法和3D打印方法在航空航天、汽车等领域具有潜在的应用前景。 

图 8.（a）基于应力梯度分布的纤维轨迹设计过程示意图；（b）优化前后的纤维含量分布场和应力沿纤维分布场；（c）CFRCS 3D打印设备及方案；（d）优化前后3D打印连续纤维增强穿孔板及其断裂模式；（e）优化前后复合材料穿孔结构力学性能对比。

Zhanghao Hou, Xiaoyong Tian, Junkang Zhang, Ziqi Zheng, Lu Zhe, Dichen Li, Andrei V. Malakhov, Alexander N. Polilov, Optimization design and 3D printing of curvilinear fiber reinforced variable stiffness composites, Composites Science and Technology, Volume 201, 2021, 108502, ISSN 0266-3538.

9. Mechanical and Thermal Characterization of Coir/Hemp/Polyester Hybrid Composite for Lightweight Applications

用于轻质材料的椰壳纤维/大麻/聚酯混合复合材料的力学与热特性分析

翻译：南天

      本研究调查了在聚酯基混合复合材料中使用椰壳纤维和麻纤维作为增强材料的情况。主要目的是了解这些增强材料如何影响混合复合材料的力学（拉伸、弯曲和冲击）和热特性。为此，制作了不同重量比例的椰壳纤维和麻纤维复合材料样品，并进行了大量的机械测试。拉伸、弯曲和冲击测试结果表明，随着椰壳纤维比例的增加和麻纤维比例的减少，所制造的复合材料的力学特性得到了改善。与二元复合材料相比，含有15%椰壳纤维和5%麻纤维的混合复合材料具有更优越的机械性能。此外，还进行了热分析，以确定混合复合材料的热稳定性。在30°C至800°C的温度范围内，观察到了重量损失，证实了材料的整体耐热性。傅立叶变换红外光谱（FTIR）用于确定复合材料的化学成分，其揭示了有助于提高复合材料性能的基本组成的存在。利用扫描电子显微镜（SEM）对混合复合材料的表面形貌进行了研究，从而对纤维与基质的相互作用以及复合材料的结构有深刻的认识。该研究的结果证明了椰壳纤维/麻/聚酯混合复合材料作为一种轻质材料在多种行业中的应用潜力。

（a）                                          （b）

图9.（a）测量椰壳纤维/麻/聚酯混合复合材料的拉伸强度和拉伸模量以及应力-应变曲线；（b）测量椰壳纤维/麻/聚酯混合复合材料的抗弯强度和抗弯模量以及应力-应变曲线

G. Suresh Kumar, Athota Rathan, Din Bandhu, B. Madhusudhan Reddy, H. Raghavendra Rao, Sujeeth Swami, Kuldeep K. Saxena, Sayed M. Eldin, Nittala Noel Anurag Prashanth, Mechanical and Thermal Characterization of Coir/Hemp/Polyester Hybrid Composite for Lightweight Applications, Journal of Materials Research and Technology, 2023, ISSN 2238-7854.