模拟复合材料中的损伤传播以实现高质量碳纤维增强塑料

具有有用机械性能的结构材料在各个领域都有应用。增强结构材料性能的可靠方法是在不影响强度的情况下减轻其重量。

碳纤维增强塑料(CFRP)可能是这种方法最突出的例子。这些塑料由微小但极其坚固的碳原子线组成，这些碳原子线通过塑料基体固定在一起。由于其重量轻、耐用性高和卓越的机械性能，CFRP层压板正在被纳入最先进的航空航天应用、运输和建筑领域。

然而，设计CFRP层压板可能是一项非常耗时的工作。每当工程师调整给定设计时，都必须进行多次强度测试来对CFRP样本进行基准测试。这增加了最终产品的成本并阻碍了CFRP在更广泛领域的应用。

在此背景下，两位研究人员，前博士生王晨宇博士，上智大学研究生院的学生和上智大学的ToshioNagashima教授开发了一种对CFRP层压板损伤传播进行数值模拟的新方法。他们的研究结果在线发表在《复合结构》杂志上。

研究人员的方法基于扩展有限元法(XFEM)的准3D版本。在FEM中，结构或材料被分为称为单元的小子区域，然后求解每个单元的物理方程，以确定系统的整体响应。本研究中使用的“扩展”版本添加了捕获不连续性周围局部效应的函数，从而能够更准确地对裂纹扩展形式的损伤传播进行建模。

值得注意的是，由于CFRP层压板是由堆叠的材料层制成，因此将其建模为平面(二维或2D)将无法捕获分层等异常现象。

相比之下，3维(3D)FEM模拟计算量大且设置复杂。为了克服这些问题，研究人员采取了一种平衡的方法。他们首先将所需的CFRP层压板建模为由四边形有限元组成的二维结构，并标记了可能出现裂纹的位置。然后，他们在厚度方向上投影该结构，同时通过他们的模拟系统自动生成用于模拟分层和基体裂纹的模型。

该策略使计算易于管理，并且可以更轻松、更高效地模拟CFRP损伤的建模。

为了验证其方法的有效性，研究人员对CFRP层压板进行了三种不同强度和损伤传播测试的模拟，并将其结果与其他研究报告的实验数据进行了比较。

第一个是开孔拉伸测试，将中间有圆孔的CFRP层压板从一端拉出，另一端固定。

第二个是准静态压痕(QSI)测试，将坚硬的半球缓慢而稳定地压在CFRP层压板上。

最后，第三个测试是冲击后压缩测试，其中QSI测试中损坏的样本受到压缩力，以评估其完整性和损坏容限。

总体而言，所提出的仿真方法的结果与实验数据非常吻合，优于现有的基于准3DXFEM的技术。王博士对这种新方法的潜力充满信心，他说：“如果这项研究的结果应用于相关领域，CFRP等复合材料的应用将变得更加广泛和高效。”

碳纤维增强塑料的广泛采用也可能产生重要的生态影响。“未来，如果能够通过数值模拟更高效、准确地预测复合材料的损伤，其成本将会降低。如果这些轻质高强材料进一步应用于交通运输，将对节能产生积极影响和环境保护，”王博士补充道。

如果商用飞机能够通过采用碳纤维复合材料来降低燃油消耗和设计时间，那么飞行成本可能会显着降低。

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