1. Numerical research on elasto-plastic behaviors of

fiber-reinforced polymer based composite laminates

纤维增强聚合物基复合材料层合板弹塑性性能的数值研究

      为使纤维增强聚合物基复合材料结构具有令人满意的加载强度、抗冲击能力和损伤容限，准确描述其在复杂载荷条件下的力学行为具有重要意义。考虑静水应力的影响，该文采用Yokozeki定义的压力相关有效应力形式，并将静水压力项纳入平方根函数，从而得到了基于非关联流动规律的增量塑性应变的简化形式，同时采用指数函数描述各向同性硬化，进而建立了聚合物基复合材料层合板的压力相关弹塑性本构模型。本构模型应用于偏轴试验的有限元仿真，并分别基于后向欧拉算法和前向欧拉算法进行了比较分析。依赖于试错法，通过将所有试验曲线坍缩为一条主曲线(图1(a))拟合出合理的模型参数，并基于此得到了单轴压缩(图1(b))及拉伸(图1(c))的试验结果和仿真结果。结果显示，除[15°]₃₂和[30°]₃₂试样的仿真结果与试验结果存在明显差异外，该文基于后向欧拉算法和前向欧拉算法建立的弹塑性本构模型均能较好地再现偏轴试验的应力-应变关系。两种算法间，基于前向欧拉法的塑性模型对塑性乘数的预测精度较低，导致塑性变形不准确，这需要更多的迭代以满足每个时间增量步中的力平衡条件，从而花费更多矩阵分解和计算时间(图1(d))。因此，后向欧拉算法在相似精度下具有更高的效率，更适合于预测聚合物基复合材料的非线性行为。

图1.（a）等效应力-等效塑性应变的主曲线；（b）IM7/8552试样篇轴压缩应力-应变曲线；

（c）AS4/PEEK试样的偏轴拉伸应力-应变曲线；（d）仿真时间和矩阵分解所涉及的量。

Rui Ren, Guigao Le, Jianlin Zhong, Dawei Ma, Qiang He, Numerical research on elasto-plastic behaviors of fiber-reinforced polymer based composite laminates, Composite Structures, Volume 207, 2019, Pages 364-372, ISSN 0263-8223.

2.A micromechanics and machine learning coupled approach for failure prediction

of unidirectional CFRP composites undertriaxial loading: A preliminary study

微观力学与机器学习结合预测三轴载荷下单向CFRP复合材料的失效：初步研究

      此文提出了一种人工神经网络（ANN）与微观力学结合，进行IM7/8552单向复合材料板三轴载荷失效预测的混合方法。文中使用有限元方法（FEM），基于高保真微观力学代表性单元（RVE）的数值仿真结果训练ANN。RVE模型由三相（纤维、基体和界面）组成，组成参数通过神经网络逆确定，单轴试验校准了界面强度，并通过双轴载荷下的失效预测进行了验证。对所得RVE提出一种混合加载策略，消除位移载荷下的泊松效应，确定三轴载荷下的失效点。失效预测在文中被视为分类问题，对ANN、逻辑回归、支持向量机（SVM）三种算法的预测效果进行了评估，并最终使用浅层神经网络重建三轴载荷下单向层的失效面。结果表明，与大量随机分布数据相比，使用靠近故障面的有限数据可以获得更高的预测精度；在(σ₂₂, σ₃₃, τ₁₂)应力空间中，采用560个样本训练的神经网络对复合材料薄板失效预测具有相当的鲁棒性，可以获得97.5%的准确率。

 图2. （a）三相组成的RVE模型；（b）失效预测的ANN模型；

（c）RVE生成的训练数据集（三维数据的二维切片）；（d）ANN预测的失效面。

Chen J, Wan L, Ismail Y, et al. A micromechanics and machine learning coupled approach for failure prediction of unidirectional CFRP composites under triaxial loading: A preliminary study[J]. Composite Structures, 2021, 267: 113876.

3. Thermo-chemical-mechanical multiphysics coupling simulation of thermo-oxidative

ageing behavior in 3D angle-interlock woven composites

三维角互锁编织复合材料热氧化老化行为的热化学-机械-多物理耦合模拟

      热氧化老化对三维角互锁编织复合材料的力学性能有显著影响，但目前还没有对复合材料的热氧化老化行为进行模拟研究。本研究使用多步并行算法开发了一个热化学-力多物理耦合模型，以模拟三维角互锁编织复合材料的热氧化老化过程。该模型考虑了复合材料固化后的残余应力状态，重点研究了氧扩散的氧化反应与温度变化的热力学之间的热化学-力学弱耦合。有限元分析中的氧化层分布和界面裂纹与纳米压痕和显微镜实验吻合良好，验证了模型的有效性。数值结果与实验数据吻合较好。所提出的模型有助于评估复合材料在热氧化老化过程中与多物理耦合相关的复杂应力和界面损伤。

图3.（a）有限元几何模型建立；（b）不同氧化时间下的氧气扩散结果对比；（c）不同时间老化复材的氧化物浓度、化学反应程度、界面接触压力和基于最大应力的损伤起始标准；（d）不同老化时间后粘性表面的接触压力、基于最大应力的损伤起始标准和损伤变量。

Feng Xu, Jing Long, Shuwei Huang, Baozhong Sun, Bohong Gu. Thermo-chemical-mechanical multiphysics coupling simulation of thermo-oxidative ageing behavior in 3D angle-interlock woven composites. Composites Science and Technology, 2023, 239: 110072.

4. Deep Learning Techniques for Predicting Stress Fields in Composite Materials:

A Superior Alternative to Finite Element Analysis

预测复合材料应力场的深度学习技术：一种更好的有限元分析的替代方法

     应力评价在材料体系的设计中起着关键的作用，通常通过复杂结构的有限元法（FEM）来完成，与多尺度FEM相关的大量成本和时间促使人们研究更高效的机器学习驱动策略。该研究利用机器学习技术来预测复合材料中的局部应力场，使其成为传统有限元方法的一种更好的替代方法。该研究在Abaqus/Explicit中使用Python脚本开发了一个2D参数模型，以创建不同的纤维形状，包括均匀、不均匀和自由形式的形状，其随机特征包括位置、直径、纤维数量和形状。数据集包括通过应用边界条件和提取应力场图得到的输入和输出图像。采用了一个具有专门的U-Net体系结构的卷积神经网络（CNN），建立空间纤维组织与合成的von-Mises应力场之间的联系。CNN模型使用四个不同的数据集进行了广泛的训练，包括均匀纤维结构、非均匀纤维结构和不规则形状的纤维结构，以及这些数据集的综合组合。SSIM是输出和地面真实图像之间结构相似性的度量，使用SSIM将CNN生成的输出图像与地面真实图像进行比较，并利用所得值来评价模型的准确性。经过训练的U-Net模型在预测von Mises应力场方面表现出了很好的熟练度，在测试数据集得到0.977的结构相似性指数得分（SSIM）和0.0009的均方误差（MSE）。这项研究利用二维截面图像建立了有限元分析的替代模型，不考虑几何复杂度或边界条件。为预测复合材料设计中的应力场提供了一种准确有效的方法。

图4.（a）创建均匀、非均匀和自由形式纤维元素的2D复合微观结构图像过程；

（b）U-Net架构；（c）每个数据集上所有210个验证图像的MSE和SSIM的比较。

Yasin Shokrollahi, Matthew M.Nikahd, Kimia Gholami. Deep Learning Techniques for Predicting Stress Fields in Composite Materials: A Superior Alternative to Finite Element Analysis. Journal of Composites Science, 2023, 7, 311.

5. A wide-angle broadband electromagnetic absorbing

metastructure using 3D printing technology

一种采用3D打印技术的大角度宽频电磁吸收元结构

      梯度复合元结构已被证明可以有效地改善微波吸收性能。然而，复杂结构的制备仍然具有挑战性。该研究采用低成本、高效率的熔融沉积3D打印技术，设计并制造了一种复杂的梯度复合微波吸收元结构。该超结构由片状羰基铁颗粒和聚醚-醚-酮复合材料组成，材料质量损失仅为50%。研究并优化了吸收带宽和反射率强度的结构参数。仿真和实验表明，复杂梯度元结构在5.1 ~ 40 GHz频率范围内具有-10 dB的吸收带宽，在7.7 ~ 14.7 GHz和22.6 ~ 36.3 GHz频率范围内具有-15 dB的吸收带宽。此外，所提出的元结构还具有良好的抗压强度和良好的力学稳定性。本工作为实际应用提供了一条简单而有效的宽频广角微波强吸收途径。

 图5.（a）梯度复合元结构设计示意图；（b）熔融沉积3D打印图；（c）打印的梯度元结构样品；（d）复杂梯度元结构的模拟反射率与实验反射率比较；（e）梯度复合材料元结构的力学稳定性；（f）复合梯度元结构的电场、磁场和功率损耗分布。

Duan Y, Liang Q. A wide-angle broadband electromagnetic absorbing metastructure using 3D printing technology, Materials & Design. 2021; 208; 109900

6. Modelling and simulation of high- and low-speed impact damage

of lithium batteries for light and small UAVs

轻型小型无人机锂电池高低速冲击损伤的建模与模拟

      本文通过实验测试和模拟方法研究了轻型小型无人机(UAV)锂电池在高速和低速冲击下的损伤。研究建立了一个高精度的锂电池有限元模型，并通过锂电池冲击压缩测试校准了电池模型的材料与结构数据。这些数据验证了模型在低速冲击条件下的准确性，并为将来锂电池的有限元模拟计算提供了可用的参数。此外，研究设计了一项锂电池目标冲击测试，通过加压气炮将锂电池加速，并在达到一定速度后与目标板相撞。通过气室的压力确定锂电池的冲击速度。这项测试为未来锂电池高速冲击损伤的研究提供了参考。结果表明，当落体冲击速度高于无人机的正常飞行速度时，外部电池盒对内部电池单元的保护作用迅速下降；冲击速度越高，内部单个锂电池的损坏越严重。如果电池内有一定量的电，锂电池会有很高的爆炸和起火风险。这部分工作有助于提高无人机的安全标准，基于碰撞过程中电池损伤所带来的风险，改进无人机设计以减轻这些风险。

图6.（a）电池模具的有限元模型；（b）空气炮示意图。

Zhang Y, Li Z, Huang Y, et al. Modelling and simulation of high- and low-speed impact damage of lithium batteries for light and small UAVs[J]. International Journal of Impact Engineering, 2023, 180: 104703.

7. A Consistent Higher-Order Theory of Laminated Plates with

Nonlinear Impact Modal Analysis

预测层合板非线性冲击的连续高阶理论

      本文基于能量变分法，提出了一种针对正交铺设厚板的三维连续高阶理论，并基于该理论预测了冲击载荷下四周简支靶板的位移和应力分布。该理论将三个位移分量假设为沿厚度方向呈三次分布，并且根据边界条件，将其在面内方向的分布假设为三角函数级数的形式。随后，结合层间连续条件、上下表面的所受载荷、以及冲击过程中的能量守恒，利用哈密顿原理求解出控制方程。将二阶及以上的位移分量定义为高阶分量，其余定义为低阶分量。将低阶分量提出单独求解，建立振动的控制方程从而求解出固有频率和对应的振型，并根据结果推导出高阶分量的振型。建立冲击物的运动方程，结合赫兹接触定律，用杜哈梅积分建立冲击过程中位移随冲击载荷变化的方程。最后通过迭代法进行数值求解。使用该方法预测了不同铺层的冲击载荷历程，以及冲击过程中的中心挠度分布（如图7所示）。

图7.（a）冲击过程中冲击载荷随时间的变化历程；（b）冲击时中心挠度沿厚度方向的分布。

Chao C C, Tung T P, & Sheu C C, et al. A Consistent Higher-Order Theory of Laminated Plates with Nonlinear Impact Modal Analysis. J Vib Acoust. 116(1994): 371-378.