1. In situ damage characterization of CFRP under compression using high-speed optical, infrared and synchrotron X-ray phase-contrast imaging
使用高速光学、红外和同步辐射X射线相衬成像技术对压缩载荷下的CFRP进行原位损伤表征
翻译：刘鹏
碳纤维增强复合材料（CFRP）在使用过程中难以避免受到冲击载荷的作用。该文研究了CFRP铺层板在面外压缩荷载作用下的应变率敏感性和破坏模式。采用伺服液压万能试验机进行了低应变率（10−3 s−1和10−1s−1）试验，使用分离式霍普金森压杆进行了高应变率（103 s−1）试验；同时使用了高速光学相机和红外热成像技术测量了试样破坏形貌和表面温度，采用原位超快同步辐射X射线相衬成像（XPCI）技术表征了动态加载试样的损伤起始和扩展。结果表明：试样在高应变率下由于损伤导致局部温度显著升高至185℃，而在低应变率下仅在峰值力后存在较大温升现象；基于XPCI结果和光学显微镜发现，试样在低应变率下主要出现剪切造成的45°裂纹，在高应变率下主要出现剪切和横向拉伸破坏相接合的裂纹。
图1. 动态压缩试验装置和结果
Pournoori N, Soares GC, Lukić B, Isakov M, Belone MCL, Hokka M, Kanerva M. In situ damage characterization of CFRP under compression using high-speed optical, infrared and synchrotron X-ray phase-contrast imaging. Compos Part A Appl Sci Manuf 2023; 107766.
2. Multi-scale progressive failure simulation of 3D woven composites under uniaxial tension
三维机织复合材料在轴向拉伸载荷下的多尺度渐进损伤模拟
翻译：白杨
三维机织复合材料在厚度方向上稳定的力学性能、优异的损伤容限和抗冲击性能，在航空、航天和民用建筑等工业领域具有长期应用前景。本文提出了一种多尺度渐进破坏模型来分析三维角联锁机织复合材料在单轴拉伸下的损伤行为。基于细观代表性体积元模型，采用非均匀有限元方法建立了宏观渐进损伤模型。在本模型中，纤维束采用修正的Puck准则，采用抛物线屈服准则作为基体的损伤起始和演化准则，可以从纤维束和基体两个层次清晰地描述纤维断裂、纤维间断裂和基体裂纹的发生。此模型预测了该三维机织复合材料的拉伸等效弹性性能和破坏强度以及损伤演化过程。结果表明，基体破坏最早发生，经向纤维的断裂导致了最终的失效。同时还进行了一系列单轴拉伸试验，并与宏观尺度渐进损伤模型进行对比，验证了数值仿真对材料弹塑性性能以及损伤演化过程的预测结果，其中弹性模量预测误差约2.57%，强度预测误差约8.08%。
图2.（a）三维正交机织复合材料结构示意图；（b）三维机织复合材料代表性单元几何表征；（c）全尺寸试样有限元模型；（d）试验与仿真轴向拉伸应力应变曲线；（e）轴向拉伸渐进损伤模拟结果。
Liu G, Li Z, Guo L, Liao F, Zheng T, Zhong S. Multi-scale progressive failure simulation of 3D woven composites under uniaxial tension. Compos Struct 2019;208:233-43.
3. Multi-scale finite element analysis on the soft impact behavior of twill weave laminate
基于多尺度有限元方法的斜纹织物层合板鸟撞动态力学行为研究
翻译：陈小鹏
该文采用细观-介观-宏观多尺度有限元方法并引入冲击动量柔度（Impact momentum flexibility, IMF），研究了斜纹织物层合板的鸟撞动态力学行为，开展的主要工作和取得的结论如下：（1）开展了软体冲击斜纹织物层合板双悬臂梁试验（图3(a)），建立了细观-介观-宏观多尺度有限元模型（图3(b)），在介观尺度验证了模型精度，并计算得到宏观尺度的材料参数，结果表明，宏观尺度的模型及参数可以较好地复现斜纹织物层合板双悬臂梁的软体冲击响应；（2）发现随冲击速度增加，斜纹织物层合板双悬臂梁行为可分为无目视可见损伤、被弹面局部损伤和整体断裂破坏三个阶段（图3(c)）；（3）发现试样参数固定时，双悬臂梁最大变形与冲击动量的比值恒定（图3(d)），定义冲击动量柔度（IMF）为双悬臂梁最大变形与冲击动量的比值，IMF越大表明抗冲击能力越弱，发现IMF随双悬臂梁展长增加而非线性增大，随双悬臂梁厚度增加而非线性减小。
图3.（a）软体冲击斜纹织物层合板双悬臂梁试验和仿真示意图；（b）细观-介观-宏观多尺度有限元模型示意图；（c）斜纹织物层合板双悬臂梁损伤形态随软体冲击速度增加变化情况示意图；（d）斜纹织物层合板双悬臂梁最大变形随冲击动量变化示意图。
[1] Huang J, Zhao J, Li Z, Liu S, Guo L, Tang Y, Zhang L. Multi-scale finite element analysis on the soft impact behavior of twill weave laminate. Thin Wall Struct 2023; 190:110952.
4. Failure mechanism of single lap, adhesively bonded composite-titanium
joints subjected to solid projectile impact
单搭接胶接复合材料-钛接头承受固体弹丸冲击的失效机理研究
本文研究了单搭接胶接复合材料-钛合金接头在固体弹丸冲击下的失效机理，使用了常见的脆性胶粘剂Araldite AV138。首先开展了一级气枪弹丸冲击搭接区域的冲击试验，包括两种冲击速度（23.3 m/s和34.6 m/s），在测试中可以观察到部分分离和完全分离的胶层，当冲击速度为34.6m/s时，复合材料粘附物中可观察到明显的基体裂纹。随后在Abaqus/Explicit中进行三维有限元分析，采用内聚力模型来确定胶接界面的脱粘破坏，同时，建立了基于哈希应变准则和连续损伤力学的面内损伤模型，用于预测复合材料粘附体的面内失效模式。结果表明，试验记录的试样应变响应和损伤模式与有限元预测结果具有良好的相关性，随着固体弹丸冲击速度的增加，单搭接胶接复合材料-钛接头的破坏模式发展为：胶-钛合金界面局部脱粘，复合材料黏附体的基体开裂和胶-钛合金界面整体脱粘。在横向弹丸冲击中，由于单搭接接头的几何形状不对称，胶接接头一端的胶粘剂处于张力状态，而另一端处于压缩状态；由于胶粘剂的压缩强度高于拉伸强度，脱粘损伤始终从处于张力中的胶粘剂-钛-胶层界面的侧面开始。
图4.（a）一级气枪实验系统示意图；（b）单搭接胶接复合材料-钛接头的有限元模型；（c）实验和预测的裂纹扩展长度对比。
He Boling, Pan Yingguang. Failure mechanism of single lap, adhesively bonded composite-titanium joints subjected to solid projectile impact. J. Adhes. Sci. Technol. 2022 36:4, 370-391.
5. Compressive strength improvements from noncircular
carbon fibers: A numerical study
非圆形纤维对单向复合材料压缩强度改善的数值研究
目前，单向碳纤维复合材料的纵向抗压强度不足是限制其更广泛应用的主要因素之一。为进一步探究该问题，该文从非圆形纤维角度考虑，建立了微观力学模型，通过引入XY和XZ平面的纤维错位，分别对碳纤维截面形状为圆形、二叶形、三叶形和六叶形的模型进行了轴向压缩的仿真研究。结果表明，与圆形纤维相比，使用六叶形纤维可以提高10%- 13%的强度，对于三叶形纤维，强度可以提高6%-9%。而二叶形纤维的抗压强度仅略有增加，但对纤维取向和错位方向存在高度不确定性和敏感性。而通过对纤维间基体应力分析，发现非圆形纤维会约束邻近基体，提高其屈服应力。此外，在实际生产中，该类纤维具有更高的面积惯性矩和抗弯曲性，能抑制纤维错位从而进一步提高压缩强度。该工作为单向复合材料的压缩强度提高提供了新的思路。
图5.（a）四种纤维截面形状；（b）纤维错位方式；（c）初始纤维错位与压缩强度变化关系；（d）以圆形纤维结果正则化后的初始纤维错位与压缩强度变化关系；（e）同一纤维错位角度下失效时的基体平均正应力分布；（f）基体平均正应力沿纤维轴向的分布
Camarena E, Clarke R.J, Ennis B.L. Compressive strength improvements from noncircular carbon fibers: A numerical study. Compos Sci Technol 2023; 242: 110168.
6. Silicon carbide coated carbon nanotube porous sponge with super Elasticity, low Density, high thermal Resistivity, and synergistically enhanced electromagnetic interference shielding performances
碳化硅包覆碳纳米管多孔海绵，具有超弹性、低密度、高热阻、协同增强的电磁干扰屏蔽性能
高热阻、轻质、柔性的电磁干扰（EMI）屏蔽材料是各种尖端领域中保护精密电子仪器的迫切需求。在该研究中，采用低温生长策略，成功构建了碳纳米管（CNT）@碳化硅（SiC）的3D多孔复合海绵，具有优异的综合性能，包括15-32 mg/cm3的低密度；在96%的压缩应变下具有95%的高形状恢复的超弹性；可逆的压缩-释放稳定性，在1000次加载-卸载循环后，形状保持率为86%，应力保持率为85%;在氩气中超过1000°C或在空气中超过700°C的优异热阻；在X波段的EMI屏蔽效能高达75.7 ± 6 dB，这是碳化硅（SiC）基多孔EMI屏蔽材料的最高值。研究结果不仅为下一代极端条件下EMI屏蔽材料的进一步开发提供了指导，而且为探索多孔EMI屏蔽材料背后的基本机理提供了思路。
图6.(a)具有不同密度的纯CNT和CNT(x)@SiC(x+2)样品的电导率；(b-c)碳化硅层的密度（红）和厚度（蓝）随生长时间变化；(d)纯CNTS 15和不同CNTS@SiC复合材料样品的SET值；(e-f) (e)Pure CNTS 15和(f) CNTS15 @SiC(17)复合材料的压缩应力-应变曲线；（g）在设定应变(ε=40、60、80%)下纯CNTS 15（蓝）和CNTS15@SiC(17)复合材料（红）的滞后损失；（e）在20 mm min-1的应变速率下进行1000次压缩-释放循环试验后，CNTS15和CNTS(15)@SiC(17)样品在80%压缩应变下的机械性能。
Tang CQ, Zhang S, Zhang JP, et al. Silicon carbide coated carbon nanotube porous sponge with super Elasticity, low Density, high thermal Resistivity, and synergistically enhanced electromagnetic interference shielding performances. Chem. Eng. J 469 (2023) 144011.
7. Deep learning framework for multiscale finite element analysis based
on data-driven mechanics and data augmentation
基于数据驱动力学和数据增强的多尺度有限元分析深度学习框架
该项研究提出了一个用于多尺度有限元分析（FE2）的深度学习框架（图7），该方法克服了并行经典FE2方法在每个宏观积分点重复分析导致的效率低下的缺点，采用最小距离数据驱动计算力学进行FE2分析。该方法中，宏观应变和应力数据直接赋予宏观有限元模型的材料点，而不需要本构模型。并且利用离线宏观材料基因组数据库解决宏观问题，而无需同时解决微观问题。其中，离线材料基因组数据库是通过对RVE进行非线性有限元均质化分析直接获得的。通过在离线计算中使用DNN模型和数据驱动力学进行数据增强，可以找到并生成用于分析的解宏观数据，而无需随机生成与RVE相关的材料基因组数据库。文献中所提方法创新点在于利用深度神经网络实现自适应采样点，而无需事先了解具体的力学问题，所提出的数据增强框架利用距离最小化算法，结合力学约束条件（包括平衡方程和相容方程），逐步更新采样点。在该方法中，宏观平衡方程由宏观距离最小化DDCM代替，而不是在每个宏观积分点重复计算微观平衡方程。研究表明文献中所提出的方法有效地构建了离线材料基因组数据库，大大降低了离线计算成本，保证了高效地构建宏观材料基因组数据库，同时完全消除了仅使用稀疏数据库的神经网络所引起的误差。然而，值得注意的是文献中所提出的方法仅适用于应变路径无关的宏观材料，针对弹塑性和粘弹性模型等依赖于历史的材料模型还需进一步研究。
图7. 数据驱动的深度学习框架
Kim S, Shin H. Deep learning framework for multiscale finite element analysis based on data-driven mechanics and data augmentation. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 2023;414:116131. https://doi.org/10.1016/j.cma.2023.116131.
8. Hybrid woven carbon-Dyneema composites under drop-weight and steel ball impact
混杂编织碳-迪尼玛复合材料在落锤和钢球冲击下的力学性能
本文采用落锤低速冲击和钢球高速冲击试验研究了新型碳-迪尼玛混杂织物增强塑料复合材料的冲击性能和损伤机理。分析了混杂复合材料的力-位移响应、能量吸收和损伤机理，并与编织碳层合板进行了比较（图8（a））。实验结果表明，当以碳纤维复合材料为基准时，混杂复合材料的抗冲击性得到了改善。迪尼玛纤维在冲击过程中抑制了底面的开裂，但由于迪尼玛纤维的抗压强度低，因此容易发生屈曲。本文提出了一种多尺度方法来模拟混杂机织复合材料的冲击损伤，考虑交织模式，将单胞的交织混合结构进行分析和离散成几个子部分即每一个部分被视为一种类型的层合板（图8（b））。数值模拟预测的冲击力和损伤特征与实验数据对比良好，提供了分析混杂复合材料的冲击损伤行为的方法（图8（c）、（d））。
图8.（a）落锤实验的力-时间和力-位移曲线对比；（b）落锤和钢球冲击的有限元模型；（c）落锤实验和有限元仿真的力-时间、力-位移曲线和损伤形貌对比；（d）钢球冲击实验和有限元仿真的剩余速度和分层面积对比以及仿真中的纤维拉伸损伤。
Y. Zhao, M. Cao, H.X. Tan, et al. Hybrid woven carbon-Dyneema composites under drop-weight and steel ball impact. Composite Structures, 2022, 236:111811.
9. Impact response of composite laminates based on epoxy and glass fibre
环氧树脂与玻璃纤维复合材料层压板的冲击响应
为了建立能够预测玻璃纤维增强环氧树脂编织层压板在低速冲击载荷下的响应的数值模型。首先，对玻璃纤维增强环氧树脂编织层压板进行低速冲击试验研究，并获取靶板的冲击力与位移等数据；然后，在ABAQUS/Explicit仿真软件中建立相应的数值仿真模型，并对比仿真与试验结果，两者之间良好的吻合验证了该有限元模型的准确性；最后，基于验证过的模型研究了冲击能量、压头直径和冲击速度等参数对玻璃纤维增强环氧树脂编织层压板性能的影响。结果表明，虽然增加冲击能量会增加玻璃纤维增强环氧树脂复合材料靶板的能量吸收，但是仅仅冲击速度的增加会降低该复合材料层压板的能量吸收，同时，冲击速度不会影响峰值力。其次，子弹直径的增加会导致峰值力、最大位移、冲击力持续时间和穿透能量值的增加。
图9.（a）低速冲击试验设备；（b）层合板的冲击仿真模型；（c）复合材料的试验与仿真的冲击力-时间曲线对比（实线表示试验曲线，虚线表示仿真曲线）；（d）子弹直径对冲击结果的影响。
Nassier AN, Mohammed RG. Impact response of composite laminates based on epoxy and glass fibre. Materials Today: Proceedings 2021; 42: 1901-07.
10. Experimental investigation on the mechanical behaviour of 3D
carbon/carbon composites under biaxial compression
三维碳/碳复合材料在双轴压缩下的力学行为实验研究
三维碳/碳复合材料大多以板壳结构件进行服役，特殊的纤维缠绕结构使其在承载过程中应力状态较为复杂，即使是单轴加载其局部应力状态往往也是多轴的。该文对三维C/C复合材料在单轴和双轴压缩载荷下的力学行为进行了试验研究，探讨了不同载荷比下复杂应力状态对三维C/C复合材料强度及破坏机理的影响。结果表明单轴载荷工况下（R=0），产生了与加载方向一致的贯穿厚度剪切断层，并最终导致试样卸载；R=0.5工况下，载荷比的提高减少了横向裂纹的数量和分层程度；R=1工况下，相邻两根z纱之间的错位纤维出现明显的扭曲和弯曲断裂，由于两个承载方向具有大致相等的应力，材料的破坏行为表现为耦合破坏失效。
图10. 三维C/C复合材料在多轴载荷下的力学响应和破坏形貌：(a) 单轴压缩载荷下的力学响应(R=0)；(b) R=0.5下的力学响应; (c) R=1下的力学响应；(d) 单轴压缩下破坏形貌的正视图；(e) 单轴压缩下破坏形貌的俯视图；(f) R=0.5下破坏形貌的正视图；(g) R=1下破坏形貌的正视图
Xu C, Song L, Zhu H, et al. Experimental investigation on the mechanical behaviour of 3D carbon/carbon composites under biaxial compression. COMPOS STRUCT, 2018, 188: 7-14.
11. Bio-inspired interleaved hybrids: Novel solutions for improving
the high-velocity impact response of carbon fibre-reinforced polymers (CFRP)
仿生交错杂交：提高碳纤维增强聚合物（CFRP）高速冲击响应的新解决方案
为了提高CFRP基复合材料的高速冲击（HVI）性能，该研究设计并开发了一种仿生交错布局（BI）的CFRP层压板，在170 m/s和210 m/s的速度下测试了所开发的层压板，获得了其响应和失效模式。在考虑厚度的情况下，首先，设计得到螺旋构造的BI整体CFRP层压板。其次，采用交错设计方法得到混杂BI基CFRP复合材料与BI基Zylon纤维增强聚合物复合材料。研究评估了以上层压板的HVI响应，并与作为基准的传统准各向同性（QI）复合材料层压板进行比较。另外还将钛箔应用于BI整体与混杂CFRP层压板，以进一步研究HVI响应。所有的混杂材料比例在50%以下，并且层压板面重为0.95 g/cm2。研究结果表明：相对于基准QI层压板，BI整体层压板平均能量损耗提高了22%，BI混杂层压板提高约97%。QI层压板的破坏模式以剪切封堵为主，分层和基体损伤局限于撞击区附近；BI层压板分层大小和基体损伤显著增加，破坏模式转变为拉伸破坏和分层。在冲击和背面用钛箔替换CFRP没有显著改善能量耗散。
图11.（a） HVI情况下CFRP 层压板不同损伤区域，以及仿生和混杂分散/交错设计；（b）BI 层压板的能量耗散及其与 QI 基准的比较；（c）210 m/s工况下 QI 和 BI 整体厚板和薄板的横截面损伤。
Kazemi ME, Medeau V, Greenhalgh E, Robinson P, Finlayson J, Pinho ST. Bio-inspired interleaved hybrids: Novel solutions for improving the high-velocity impact response of carbon fibre-reinforced polymers (CFRP). Composites Part B: Engineering. 2023;264:110930.
12.Generating realistic laminate fiber angle distributions
for optimal variable stiffness laminates
生成可实现的纤维角度分布的最优变刚度复合材料层合板
先进的纤维铺放技术的出现使得通过使用纤维曲线铺放，可以更大程度地利用复合材料的各向异性性能。通过纤维的曲线铺放可以引起刚度的空间变化，从而实现更为有益的载荷和刚度分布模式。文献中对于纤维转向复合材料的研究大多使用了纤维角度和预定义的纤维角度变化，但从优化的角度来看根据层压参数（LPs）设计这种变刚度（VS）结构是更有前景的。该设计方法分为两步：第一步，根据层压参数（LPs）设计变刚度（VS）复合材料；第二步，层压参数（LPs）被转换为层压板中每一层的纤维角度分布。本文提出了一种将最佳变刚度层合板的层压参数分布转化为实际的纤维角度分布的方法，以使得结构的性能损失最小，同时满足平面内纤维角度曲率约束。所提出的转换过程被表述为一个优化问题，可以适用于任意数量的等厚度层。通过转换一个用已知的最佳层压参数设计的简单结构，即在双轴压缩载荷下的方形板的纤维角度设计，对该方法进行适用性验证。对于平衡对称铺层，本文还研究了面内曲率约束、层合板层数以及转换过程目标函数的选择对其转换过程的影响。研究结果表明将VS层合板设计方面的层压参数（LPs）转换成VS层压板设计方面描述的纤维角度几乎没有损失屈曲性能，同时还可以考虑制造约束，例如纤维路径的平面内曲率约束。本研究为变刚度复合材料层合板的设计与优化提供了一种新的方法和思路。
(a)
(b)
(c)
图12.（a）双轴压缩载荷下的方形板;（b）层压板的1-4个设计层的Pareto front，屈曲载荷使用最佳恒定刚度设计的屈曲载荷进行归一化。垂直线表示K = 4.878 m-1;（c）层压板的1-4个设计层的Pareto front， LP 空间中每个节点的平均距离。垂直线表示 k= 4.878 m-1。
Campen J M J F V , Kassapoglou C , Gurdal Z .Generating realistic laminate fiber angle distributions for optimal variable stiffness laminates.Composites Part B, 2012, 43(2):354-360.
13. Type I size effect and failure behavior of woven composites under biaxial flexure
编织复合材料在双轴弯曲下的I型尺寸效应及破坏行为
本文通过开展环对环板弯曲试验（相当于四点弯的纯弯曲），能够通过施加单轴载荷表征双轴应力状态，从而对编织复合材料在双轴弯曲下的破坏和尺寸效应进行了实验研究。基于材料的尺寸效应，本文考虑了不同尺寸的方形斜纹机织碳纤维/环氧树脂复合材料，并按照1：1.6：2.5缩放试样与支撑件。在面内压缩和面外剪切联合作用下，发现所有试件的双轴弯曲响应都是延性且非线性的。本次试验发生的破坏起始于上层边缘，上层变形是由于面内压缩造成的，纬纱变形更严重是由于面外剪切的作用。在压/剪耦合载荷作用下的裂纹向板块中心传播，呈现出四重对称的现象。基于上述现象，提出了弹性应力分析来解释和支持实验结果，发现非线性阶段起始时的名义应力服从I型尺寸效应规律，随着板尺寸的增加显着减小，并接近恒定值。因此，基于该尺寸效应，较小(较薄)试件的强度高于较大(较厚)试件的强度，从而在设计受双轴弯曲的编织复合材料试样时，必须考虑到这种尺寸效应所带来的影响。
图13.（a）边缘破坏起始图；（b）边缘裂纹向中心扩展（四重对称）；（c）裂纹完全发育图；（d）（e）双轴弯曲试验装置介绍。
L. Felix, K. Kedar. Type I size effect and failure behavior of woven composites under biaxial flexure. Composites Part B: Engineering, 2023, 254:1