導讀

碳纖維增強樹脂基（CFRP）復合材料由于其優異的力學性能已成為重要的航空航天結構材料之一。CFRP復合材料在固化成型過程中會受到外界溫度以及自身固化反應、性能演變等耦合因素影響，在材料內部產生非均勻殘余應力，進而影響復合材料結構的后續服役行為。為了解決這一問題，西北工業大學Hui Xinyu，Xu Yingjie，Zhang Weihong及其團隊在《Composite Structures》上發表了一篇題為“An integrated modeling of the curing process and transverse tensile damage of unidirectional CFRP composites”的文章，通過多尺度建模方法研究了固化過程中形成的細觀殘余應力及其對復合材料加載損傷行為的影響。

內容簡介

一、復合材料試件制備

用于研究的復合材料試件由單向T800/AC531預浸料通過熱壓罐固化成型，圖1為成型溫度及壓力曲線。

圖1 T800/AC531復合材料成型溫度及壓力曲線

二、理論建模

2.1 固化殘余應力多尺度建模

圖2 固化殘余應力多尺度建模框架

為了求解固化過程中復合材料內部殘余應力，本研究首先通過試驗測定了復合材料的固化反應和傳熱性能，包括固化相關的導熱系數、比熱和玻璃化轉變溫度。在開展復合材料傳熱分析時，考慮外部溫度傳遞以及內部固化反應放熱，完成宏觀尺度下三維熱-化耦合分析，計算得到復合材料固化過程中的溫度和固化度；考慮復合材料內部各組份材料（纖維、界面、基體）的熱機械相互作用、以及樹脂的固化收縮，將得到的溫度、固化度數據引入建立的細觀尺度RVE模型，求解熱-力耦合下的細觀殘余應力、應變。

2.2 損傷失效模型

由于單向復合材料的橫向損傷行為不受纖維失效的影響，因此主要研究基體和界面的失效。樹脂基體在載荷作用下依次表現出彈性、塑性和損傷，使用擴展線性Drucker-Prager定義其屈服行為，采用Ductile韌性準則描述其損傷行為。界面采用零厚度Cohesive單元進行建模，使用雙線性本構模型進行表征。

圖3 基體本構方程	圖4 界面本構方程

2.3 固化過程-損傷失效一體化分析框架

通過復合材料多尺度熱-化-力耦合建模分析，得到了固化過程中的細觀殘余應力，為進一步研究細觀殘余應力對復合材料力學行為的影響，將殘余應力作為初始預定義場引入復合材料的橫向加載過程中進行損傷預測，建立了如下所示的固化過程-損傷失效一體化分析框架。

圖5 固化過程-損傷失效一體化分析框架

三、仿真結果

圖6 固化過程中復合材料中心點溫度及固化度變化

圖7 復合材料固化殘余應力分布

圖7 橫向拉伸載荷下的應力應變曲線

圖8 加載過程中的損傷形貌

小結

該研究采用多尺度方法預測了復合材料固化成型過程中的細觀殘余應力，并研究了該殘余應力對后期服役性能的影響，建立了單向CFRP復合材料的固化過程-損傷失效一體化分析框架。

預測結果與試驗結果的一致性驗證了所提出方法的有效性，與未考慮固化殘余應力影響的計算結果相比，固化殘余應力的存在改變了初始損傷位置和損傷擴展路徑，與試驗結果更加吻合。由于基體中的固化殘余應力呈壓縮狀態，延緩了界面脫粘和基體開裂，因此提高了復合材料在橫向拉伸載荷作用下的強度。

原始文獻：Hui X, Xu Y, Zhang W. An integrated modeling of the curing process and transverse tensile damage of unidirectional CFRP composites. Composite Structures. 2021 Feb 12; 263: 113681. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113681.

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稿件整理：Lee   編輯校對：復小力

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