1. Investigation on the compressive damage mechanisms of 3D woven composites considering stochastic fiber initial misalignment
考虑随机分布纤维初始错位的三维机织复合材料压缩损伤机理研究
本文针对一种三维层-层角连锁机织复合材料，采用试验与数值方法相结合的方式，分析其在经纬向准静态压缩载荷下的力学响应。建立了一个能够描述纤维扭结破坏、纤维束间横向破裂、基体损伤和界面脱粘的渐进损伤模型，同时通过引入一种新的断裂角相关应力折减方案来描述损伤累积过程。结合显微观察，建立起包括纱线、基体和界面单元的有限元模型，并借助有限元软件开展计算。此外，还研究了纤维初始错位角对压缩性能的影响，分析了压缩强度对不同错位角分布方式及角度大小的敏感性。数值预测结果与试验结果表现出良好的一致性。
图1.（a）三维层-层角连锁机织复合材料结构示意图；（b）三种纤维错位角随机分布方式；（c）三维机织复合材料压缩试验方法；（d）经向与纬向试验与仿真压缩应力应变曲线；（e）三维层-层角连锁机织复合材料对纤维错位角敏感性
Zheng T, Guo L, Sun R, Li Z, Yu H. Investigation on the compressive damage mechanisms of 3D woven composites considering stochastic fiber initial misalignment. Compos A Appl Sci Manuf 2021;143:106295.
2. A comprehensive experimental investigation of the rate-dependent interlaminar delamination behaviour of CFRP composites
CFRP复合材料率-相关层间分层行为的系统试验探究
复合材料层合板受到冲击载荷作用时容易发生分层损伤，这是最有害的破坏模式之一，可能导致结构完整性的显著退化甚至灾难性破坏，动态加载下复合材料分层测试已经有很多学者开展了研究，但是尚未形成标准化的测试方法。该文对一种碳/环氧复合材料系统性地开展了准静态和高速率加载下的I型，II型和I/II混合型分层试验研究，其中动态测试采用原位Hopkinson杆系统进行加载，并应用一种集成数字图像相关技术和基于柔度的梁理论的方法来避免高速率测试中载荷的获取并确保数据分析的一致性。试验结果表明三种层间断裂韧性均表现出对加载速率的正相关性，SEM结果表明分层破坏的主导失效模式从准静态下的纤维/基体界面脱粘和基体开裂的组合变化为高速率下的基体破坏，这种主导破坏机制的转变证实了CFRP材料分层行为与加载速率相关。
图2.（a）三种类型断裂韧性测试的动态装置；（b）基于DIC的张开位移和裂纹长度以及断裂韧性计算方法；（c）准静态和动态DCB试样的断面形貌对比；（d）不同混合度下的准静态与动态混合型断裂韧性（包含纯I型和纯II型）；
Chen Y, Liu K, Xu Z, Liu H, Liβner M, Erice B, Petrinic N. A comprehensive experimental investigation of the rate-dependent interlaminar delamination behaviour of CFRP composites. Compos Part B Eng 2023; 261:110788.
3. Experimental and numerical analysis study on the low and
medium speed bird strike
中低速鸟撞的试验和仿真研究
围绕装配S型进气道的发动机鸟撞问题，为研究飞机起降阶段鸟体以中低速冲击发动机进气道后的行为，明确鸟体在中低速度撞击后的变形、轨迹变化规律、剩余速度等发动机鸟撞输入条件，该文提取了发动机进气道的设计特征，搭建了倾斜平板鸟撞试验系统（图3(a)）和模拟进气道鸟撞试验系统（图3(b)），对鸟体冲击倾斜靶板后的行为进行研究；在中低速鸟体冲击过程中，鸟体发生大变形和碎裂，最终冲击后续靶板的鸟体质量减小，但鸟体不表现为高速冲击中常见的流变行为；该文选取车辆碰撞研究中用于模拟人体的准线性粘弹性本构模型来模拟鸟体，并参考禽类肌肉组织的相关力学测试数据得到本构模型参数，所建立的模拟进气道鸟体中低速冲击模型（图3(c)和图3(d)）与试验对比误差能够满足精度要求；基于试验和仿真，该文得到了鸟体冲击模拟进气道后的轨迹变化、质量变化、速度变化。
图3.（a）倾斜平板鸟撞试验系统和试验过程高速摄像图；（b）模拟进气道鸟撞试验系统和试验系统高速摄像图；（c）倾斜平板鸟撞试验系统仿真示意图；（d）模拟进气道鸟撞试验系统仿真示意图。
[1] Zhang F, Luo G, Zhang H, Cong P, Liu L, Chen W. Experimental and numerical analysis study on the low and medium speed bird strike. Eng Fail Anal 2024; 156:107766.
4. Fracture analysis of composite-titanium adhesively bonded joints under mode-I loading
Ⅰ型加载下复合材料-钛合金胶接接头的断裂分析
本文通过实验研究了粘结剂、钛表面粗糙度和制造方法对 I 型载荷下复合材料-钛合金胶接试样断裂行为的影响。结合抗弯刚度设计准则设计复合材料和钛合金的厚度，并采用VCCT方法进行有限元分析验证。对6种DCB试样件进行了实验研究。从载荷-位移响应、I 型断裂韧性和断裂模式等角度对试验结果进行了综合讨论，本文可为复合材料-钛合金胶接接头的设计与应用提供详细的参考。结果表明：①粘结剂自身的性能对试样的断裂性能有很大的影响，从实验结果发现，选择更坚韧的胶膜J272试样的GIc比Araldite® LY-2015试样高276%。由此可见，胶粘剂本身的强度对试样的断裂模式至关重要，直接影响断裂性能。②钛表面粗糙度仅对试样呈现的内聚断裂模式有影响。由于粗糙度尖端的应力集中导致有效结合面积增加，裂纹路径远离弱界面，钛表面粗糙度较高试样的GIc值相比提高了20%。③在制造方法的影响方面，本文中制造方法引起的不同断裂模式导致了不同的断裂性能。与二次粘合试件的纤维拔出失效相比，共固化试样的基质破坏导致GIc提高了近50%。断裂模式的差异归因于复合材料被粘物的表面处理。二次粘结试件的抛光表面处理导致复合材料被粘物粘结面上裸露的纤维，导致纤维拉出形式的层内断裂模式。因此，复合材料的表面处理对制造方法的影响起着关键作用。
图4 “粘-滑”现象分析：（a）试样S-R1-B-2荷载-位移曲线分解;（b）裂纹扩展示意图。
图5 断裂机理示意图（a）混合破坏;（b）纤维拉出;（c）复合材料基体破坏。
Jian Wang, Huiming Ding, Junxia Jiang, Yunbo Bi. Fracture analysis of composite-titanium adhesively bonded joints under mode-Ⅰ loading. Eng. Fract. Mech. 2023, 291: 109561.
5. Study of the effect of strain rate on the in-plane shear and transverse compression response of a composite ply using computational micromechanics
基于微观数值模型的单层复合材料面内剪切和压缩响应应变率效应研究
翻译：顾佳辉
在复合材料的抗冲击设计中，材料自身的动态力学行为至关重要。采用基于代表性体积单元（RVE）的微观数值仿真方法，该文系统研究了不同应变率对其复合材料中单层的力学性能和失效起始的影响。该数值研究建立了纤维随机分布的三维周期性几何模型，并施加周期性边界条件计算，通过参考点处的支反力与位移计算其宏观应力应变响应。不同应变率的引入则是通过调整对应的树脂基体力学参数实现。结合系统的基体与界面微观力学测试和层合板宏观力学测试，验证了模型准确性。研究结果表明，随着应变率增加，复合材料在面内剪切和横向压缩时的失效起始均存在失效机理的转变。低应变率下，失效起始由界面脱粘和基体塑性共同决定，而中高应变率下，界面强化效应明显，失效则完全由基体塑性控制。该文为不同应变率下复合材料的微观失效机理提供了新的见解。
图6.（a）面内剪切响应模拟与试验结果对比；（b）横向压缩响应模拟与试验结果对比；（c）低应变率与高应变率下的基体塑性分布对比；（d）不同应变率下横向压缩失效断裂面角度
Rueda M, Herr´aez M, Sket F, G´alvez F, Gonz´alez C, Molina J. Study of the effect of strain rate on the in-plane shear and transverse compression response of a composite ply using computational micromechanics. Composites Part A 2023; 168: 107482.
6. A distinct structure of TiC for electromagnetic interference shielding and thermal stability of SiTiOC ceramic nanocomposites
TiC结构对SiTiOC陶瓷纳米复合材料电磁屏蔽性能和
热稳定性的影响
具有热稳定性电磁干扰屏蔽性能的材料在航空航天领域具有重要意义。本文设计了一种新型的管状碳基聚合物衍生SiTiOC陶瓷纳米复合材料。钛酸四丁酯与硅醇预聚体通过酯交换反应将钛原子均匀地引入到聚硅氧烷骨架中，从而获得了优异的热稳定性。通过控制热解温度，在无定形的SiTiOC基质和游离碳相之间形成了明显的TiC结构，从而提高了材料的电磁屏蔽性能。更多的导电路径被建立，TiC结构引发了界面极化和空间电荷极化，有助于改善介电损耗和弛豫现象。同时，报道了SiTiOC陶瓷纳米复合材料在整个X波段的电磁干扰屏蔽效率为27.85分贝。在12GHz附近测试了最大值38.59分贝，表明超过99.99%的电磁波被屏蔽。SiTiOC陶瓷纳米复合材料在恶劣环境下的热稳定性、电磁屏蔽等方面具有良好的应用前景。
图7.（a）SiTiOC陶瓷设计路线及结构示意图；（b）平均SET、SEA和SER值；（c）范围从C0到C4的所有样品的电导率；（d）钛改性聚硅氧烷在1000°C氮气中的TGA重量变化曲线；（d）SiTiOC陶瓷的硬度；（e）SiTiOC陶瓷的密度；（f）SiTiOC陶瓷在1000°C空气气氛中的TGA重量变化曲线；（g）钛改性聚硅氧烷的热解机理。
Cao QY, Jiang WH, Qian HQ et al. A distinct structure of TiC for electromagnetic interference shielding and thermal stability of SiTiOC ceramic nanocomposites. Ceram.Int 49 (2023) 27352–27361.
7. Refined nonlinear micromechanical models using artificial neural networks for multiscale analysis of laminated composites subject to low-velocity impact
利用人工神经网络改进非线性微观力学模型对受低速冲击的层压复合材料进行多尺度分析
参数化高保真广义胞元法（PHFGMC）是一种先进的细观力学方法，可用于多种复合材料的非线性和失效分析。研究非线性和损伤多轴行为所需的计算量取决于离散化重复单元(RUC)的大小。然而，在复合材料结构的多尺度分析中，整合精细的非线性微观力学模型在计算上具有挑战性，这是由于在层压结构的多尺度有限元模型内的积分点处需要成千上万或更多的RUC模型。因此，这项研究中提出了一种新的基于人工神经网络(ANN)的细观力学建模框架（ANN-PHFGMC，图8所示），用于探索纤维增强聚合物(FRP)材料的非线性行为。这项研究中采用参数化高保真广义胞元法确定预先模拟的应力-应变响应和行为，以生成人工神经网络微观模型的多轴训练数据库。模拟的训练数据基于六边形RUC的参数化高保真广义胞元法，将施加不同多轴应变路径的参数化高保真广义胞元法有效应力-应变响应分为了两组数据；一组用于训练，另一组用于验证训练好的ANN-PHFGMC模型。结果表明，最终训练的ANN-PHFGMC是精确的，验证数据的预测误差小于5%。研究中ANN-PHFGMC可独立地或嵌入复合材料结构多尺度分析中代理模型，并将ANNPHFGMC模型集成到商用显式有限元代码中，用于复合材料层压板的低速冲击，预测结果与实验数据具有较好的一致性，证明了新模型在多尺度分析中整合精细非线性微观力学模型的能力。
图8. 基于人工神经网络的层压复合材料多尺度低速冲击分析框架。
8. A new way for revealing the damage evolution of impacted CFRP laminate under compression-compression fatigue load based on thermographic images
基于热成像图像揭示受压CFRP层压板损伤演化的新方法
本文提出了一种基于热成像图像揭示碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板在压缩疲劳载荷下损伤演化规律的新方法。本文采用和两种铺层的标准压缩试样，首先进行20J和30J的冲击试验，然后设定频率为5Hz，应力比为10进行不同负载振幅的压缩疲劳试验，并用红外摄像机进行监测。然后，对红外摄像机采集到的热成像图像进行分析。最后，引入了损伤面积，定量地揭示了这些受冲击后试样的损伤演化规律,试样的表面温度越高，试样中的塑性变形越严重，导致试样的损伤面积越大。因此，本文引入了损伤区域来定量地揭示损伤的演化。结果表明，结合适当的图像处理方法，损伤面积可以作为有效的损伤指标，定量揭示CFRP层合板在受压疲劳载荷下的损伤演化规律，具有良好的精度。
图9.（a）不同疲劳周期下的热成像图像；（b）损伤区域比较；（c）试样损伤面积与疲劳循环的拟合曲线。
Li, Y., Zhang, W., Ming, A., Yang, Z., Tian, G. A new way for revealing the damage evolution of impacted CFRP laminate under compression-compression fatigue load based on thermographic images[J]. Composite Structures, 2017, 176: 1-8.
9. Impact compression behaviors of 3D angle-interlock woven
composites under thermo-oxidative ageing
三维角互锁编织复合材料在热氧化老化下的冲击压缩行为
图10. 3DAWC的几何模型;（a）纬纱截面假设;（b）经纱截面假设;（b）几何建模流程图;（d）几何模型的网格离散化。
Feng Xu, Jing Long, Yousong Xue, Yuanyuan Wu, Baozhong Sun, Bohong Gu,Impact compression behaviors of 3D angle-interlock woven composites under thermo-oxidative ageing,Engineering Fracture Mechanics,Volume 271,2022,108654,ISSN 0013-7944.
10. Cracking process and energy dissipation of sandstone under repetitive impact loading with different loading rates: From micro to macro scale
不同加载速率重复冲击载荷下砂石的开裂过程和能量耗散：从微观到宏观
砂石在工程应用中会承受重复的冲击载荷从而导致其损伤积累，为了研究砂石在不同加载速率的重复冲击载荷下的多尺度损伤和能量耗散机制，使用Split Hopkinson压杆系统进行了动态压缩试验。试验过程中除了进行宏观变形和能量吸收分析外，还利用光学显微镜和核磁共振技术分析了砂石的微观结构演化。研究发现：随着加载速率的增加，在砂石样品表面的宏观裂纹数量增加，其损伤失效形式也由劈裂转变为粉碎。其次，砂石在较高的加载速率下产生较高的累积耗散能量，在不同加载速率下，孔隙率与累积耗散能量均呈近似线性关系。同时，在较低的加载速率下，微裂纹主要沿不同矿物颗粒之间的弱边界产生，而在较高的加载速率时，出现更多的穿晶和穿晶-粒间微裂纹。其中，加载速率越高，尺寸较大的微裂纹比例越低。
图11.（a）不同加载速率下的入射应力波；（b）重复冲击载荷作用下砂岩试样微裂纹扩展特征；（c）砂石试样在重复冲击载荷作用下的累积耗散能；（d）孔隙度与累积耗散能的关系。
Li SH, Long K, Zhang ZY, Yao XH. Cracking process and energy dissipation of sandstone under repetitive impact loading with different loading rates: From micro to macro scale. Constr Build Mater 2021; 302: 124123.
11. Novel zone-based hybrid laminate structures for high-velocity impact (HVI) in carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) composites
新型区域基CFRP混杂复合材料层合板：用于提高高速冲击性能
为改善碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料的高速冲击 (HVI) 响应，本文提出了区域基的新型混杂层压板概念。混杂区域要求保留约 80% 质量分数的基准碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料，从而使单位重量和面内力学性能有一定相似性。如图12 (a) 所示，沿层压板厚度方向确定了三个区域，并在这些区域采用定制材料改善HVI下层压板的响应。改善的材料包括：碳纤维增强材料（薄层和厚层）、玻璃纤维、Zylon纤维和UHMWPE；形状记忆合金/碳纤维织物；以及陶瓷、氧化铝和钛板。制造图如图12(b) 所示。此后以 170 米/秒和 210 米/秒的速度对试样进行冲击试验，对耗散能量和失效模式进行分析，得出以下结论：①薄层试样组中，薄层/迪尼玛、薄层/PBO和薄层/钛与基准(QI) CFRP结构相比，提高了95%、88%和31%的能量损耗能力。厚层试样组中，厚层/钛概念表现最佳，改进幅度达40%。②薄层试样剪切堵塞是主要的破坏机理，耗散能量有限，破坏局限于弹道周围，远离冲击区的地方没有分层或基体开裂。厚层试样的失效机理更为复杂，在远离弹道的地方会出现明显的分层、基质开裂和纤维扭结。
图12.（a） 三种损伤区域划分；（b）制造的薄层和厚层层压板横截面（缩放）；（c）薄层和厚层CFRP层压板的能量耗散及其在基线上的变化。
Kazemi ME, Medeau V, Mencattelli L, Greenhalgh E, Robinson P, Finlayson J, et al. Novel zone-based hybrid laminate structures for high-velocity impact (HVI) in carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) composites. Composites Science and Technology. 2023;241:110148.
12. Design and analysis of hybrid composite panels under ballistic impact
弹道冲击下混杂复合材料板的设计与分析
本文使用有限元仿真方法探究了弹道冲击下混杂复合材料板的响应。建立了Kevlar-3D、Basalt-3D和Hybrid-3D层（Kevlar-3D和Basalt 3D织物层的组合）不同堆叠顺序的层压材料，在冲击速度范围为240 m/s至350 m/s模拟了六种混合复合材料板：K3B3、B3K3、B3H3、H3B3、K3 H3和H3K3（如图13（a））的高速冲击响应。结果表明，子弹和靶板的冲击区域之间的摩擦也是使子弹减速的原因，并且B3K3具有比H3B3更好的抗冲击性能；B3K3和H3B3板的道速度极限分别为332 m/s和251 m/s；由于凯夫拉的更大的损伤耗散能量和更高的延伸纤维张力比，凯夫拉作为背弹面材料时表现出优异的耐弹道冲击。与K3B3、B3H3、H3B3、K3H3和H3K3相比，B3K3显示出分别高出5.1%、18.37%、24.39%、14.15%和18.37%的弹道极限。
图13. （a）六种不同堆叠顺序的层压板和有限元仿真模型；（b）六种靶板的剩余速度和撞击速度曲线图；（c）六种靶板在其相应的弹道极限下的纤维拉伸损伤云图。
AK. Sah, RK. Pathak, S. Patel. Design and analysis of hyrid composite panels under ballistic impact. Materials Today: Proceedings, 2023, 87(1): 104-109.