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西北工业大学团队在《Thin-Walled Structures》发表复合材料层合板非线性拉伸行为预测模型研究

一、作者及发表信息
本研究由西北工业大学航空学院、长三角研究院及意大利都灵理工大学的联合团队完成，第一作者为Huabo Xiang，通讯作者为Yang Chen和Chao Zhang。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Thin-Walled Structures》2022年第179卷（文章编号109711）。

二、学术背景与研究目标
连续纤维增强复合材料层合板因其轻量化、高比强度特性广泛应用于航空航天领域，但其脆性特征限制了结构可靠性和轻量化设计。为突破这一局限，研究者提出“伪延展性（pseudo-ductility）”设计理念，即通过特定铺层结构实现类似金属的渐进失效行为。现有研究虽揭示了纤维旋转、分层破坏等机制，但缺乏整合多因素的非线性分析模型。本研究旨在建立包含剪切非线性、纤维旋转、渐进损伤和碎片化机制的统一模型，以精确预测[±θₙ]ₛ和[±θₙ/0]ₛ铺层层合板的拉伸行为。

三、研究方法与流程
1. 理论模型构建
- 多机制耦合框架：提出包含四个核心机制的迭代计算流程（图1）：
- *纤维旋转*：基于几何非线性理论，通过式(5)计算实时纤维角度θ
- *剪切非线性*：采用Hahn-Tsai模型（式6）描述树脂基体的剪切应力-应变关系，引入非线性因子βₖ
- *渐进损伤*：结合Hashin准则和Hu改进准则（式7-8），定义纤维/基体损伤指数d_f/d_m
- *0°层碎片化*：采用Jalalvand饱和碎片化理论（式12）修正刚度
- *失效判据*：集成最大应力准则（式13）和Tsai-Hill准则（式15）判定最终失效。

1. 实验验证设计

   • 材料与试样：
     
     • 采用T300/9A16热固性CFRP预浸料制备[±25₅]ₛ和[±25₅/0]ₛ层合板，通过热压罐工艺成型（120℃/2h）
       
     • 对比文献数据：Fuller等研究的TR30/K50-1 [±θ₅]ₛ层合板及Fotouhi等测试的MR60H-M55J/环氧混杂层合板
       
   • 测试方法：
     
     • 电子万能试验机（2mm/min位移控制）结合DIC数字图像相关系统测量全场应变
       
     • 每组实验重复3次，数据取平均值
       

2. 参数敏感性分析
   通过单变量控制法研究E₁（轴向模量）、E₂（横向模量）、G₁₂（剪切模量）和βₖ对失效应变的影响规律，覆盖0°-90°偏轴角范围。

四、主要研究结果
1. 模型验证
- T300/9A16 [±25₅]ₛ层合板：初始模量预测误差+3.31%，失效应力误差+2.99%，但失效应变高估19.79%（表3），主因是未考虑制造缺陷导致的早期损伤。
- TR30/K50-1 [±θ₅]ₛ层合板：偏轴角25°时全应变范围内预测吻合（图5），26°-27°时应变>2.18%后应力略高估，但较Fuller-Wisnom模型精度提升显著。
- 混杂层合板：MR60H-M55J/环氧[±20₄/0]ₛ的初始模量误差仅1.42%（表8），但高应变区刚度退化速率低于实验值，暗示可能存在未建模的分层机制。

1. 参数敏感性规律
   
   • 主导参数随偏轴角演变：0°时E₁主导→15°时G₁₂主导→45°后E₂主导（图9-11）
     
   • 非线性因子β₁（±θ层）比β₂（基体层）影响更显著，当偏轴角>35°时E₂敏感性超越β₁
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 首次整合纤维旋转、剪切非线性、渐进损伤和碎片化机制，建立统一分析框架
- 揭示模量参数主导性随偏轴角的迁移规律（E₁→G₁₂→E₂），为铺层优化提供理论依据

1. 工程应用价值
   
   • 模型可作为快速设计工具，预测不同铺层方案的伪延展性表现
     
   • 通过调整偏轴角和层厚比，可定向调控复合材料的失效模式
     

六、研究亮点
1. 方法论创新：
- 提出“非线性因子βₖ”量化树脂基体剪切非线性，通过实验数据反演确定（表2）
- 开发双循环迭代算法（图1蓝/红箭头），实现刚度矩阵的实时更新

1. 发现创新：
   
   • 揭示[±θₙ/0]ₛ层合板中0°层断裂后的刚度退化程度与纤维类型相关（碳纤维>混杂纤维）
     
   • 证实薄层（thin-ply）设计能通过延迟损伤起始点提升伪延展应变
     

七、其他重要发现
- 界面分层对平面内拉伸行为影响可忽略（第2.3节）
- 当偏轴角>30°时，横向模量E₂成为控制失效应变的关键参数（图10c）

该研究通过多尺度建模与系统性实验验证，为复合材料结构设计提供了重要的理论工具和设计准则。