点击上方蓝字关注我们
1. On the effect of environmental temperature on fracture fatigue entropy
环境温度对疲劳断裂熵的影响
翻译：安驳
本文研究了低温环境下碳钢1018的断裂行为，进行了完全反向弯曲实验测试，以检验应用疲劳断裂熵（FFE）概念在不同环境温度下预测疲劳寿命的有效性。文中建造了一个大型冷却室，可容纳整个弯曲试验台，以此可将环境温度保持在所需值，最低可达。对碳钢1018在环境温度的疲劳寿命依赖性进行了实验研究，确定了疲劳断裂熵对各种环境条件的适用性，并考虑了内摩擦作为疲劳中的非损伤参数，研究了低温对该元素的影响。结果表明，在测试条件下，较低的工作温度可提高疲劳寿命。在研究范围内，疲劳耐久性不随温度下降而显著变化。结果还显示，疲劳断裂熵在低环境温度中几乎保持不变，可用于可靠地预测疲劳寿命。与实验验证相比，S-N曲线和疲劳断裂熵结果在不同温度下的寿命预测方面具有良好的可靠性。
图1.（a）弯曲疲劳装置、冷却室、应力传感器和红外摄像机示意图；（b）计算CS 1018在-10℃和20℃下内摩擦的疲劳断裂熵；（c）CS 1018在4种不同环境温度下的S-N曲线。
Amooie, Mohammad A., and M. M. Khonsari. On the effect of environmental temperature on fracture fatigue entropy[J]. International Journal of Fatigue, 2023, 168: 107411.
2. Artificial neural network-based homogenization model for predicting multiscale thermo-mechanical properties of woven composites
用于预测编织复合材料多尺度热机械性能的基于人工神经网络的均质化模型
随着编织复合材料应用需求的日益增长，准确评估其在多样环境及复杂加载工况下的热机械行为变得愈发关键。相较于高成本的实验方法和低精度的解析方法，数值模拟方法因其高效性而受到青睐。然而，多尺度分析的数值方法计算成本也日益高昂。该论文提出了一种融合快速傅里叶变换（FFT）和人工神经网络（ANN）的高效均质化模型，旨在预测编织复合材料的多尺度热机械性能。该模型使用FFT-Plate方法来求解异质板热弹性问题中的周期性Lippmann-Schwinger方程，并借助经典FFT方法确定编织复合材料的微观和细观代表性体积单元（RVE）模型的均质化属性，如图2（a）。ANN模型数量依据皮尔逊相关系数确定，并通过贝叶斯优化算法调整ANN模型的超参数。同时，Shapley Additive exPlanations（SHAP）方法提供了对这些模型可解释性的见解，如图2（c）。该模型全面考虑了微观成分的材料属性、细观结构参数以及空洞缺陷，通过对于预测结果与实验数据，包括单向复合材料和普通编织复合材料的随机力学性能，模型误差小于5%，证明了模型的稳定性和可靠性，如图2（b）。
图2.（a）体素分层均匀化方法；（b）细观ANN模型的训练和验证数据集的RMSE；（c）所有等效刚度值的SHAP值分布。
Li M, Wang B, Hu J, Li G, Ding P, Ji C, Wang B. Artificial neural network-based homogenization model for predicting multiscale thermo-mechanical properties of woven composites. Int J Solids Struct 2024; 301: 112965.
3. A hybrid method for determination of fatigue limit and non-destructive evaluation of composite structures after low-velocity impact loading
低速冲击加载后复合材料结构的疲劳极限测定和非破坏性评估的
混合方法
在复合材料结构设计和服役过程中，预测疲劳载荷下的行为仍然是一个挑战。特别是当存在低速冲击损伤（LVID）时，问题会变得更加复杂。该文介绍了一种综合性方法，巧妙融合了含LVID结构的疲劳极限评估与基于热电偶和热成像技术的无损检测手段。随后，以碳纤维和玻璃纤维增强复合材料为研究对象，开展了不同能量下的低速冲击试验，并采用该方法预测了含LVID的复合材料的疲劳极限。研究结果不仅揭示了疲劳极限和冲击能量之间的关系，还深入剖析了观察到的损伤机理。进一步地，该文对LVID的检测性能进行了详尽分析，确定了检测LVID所需的最小自热温升，并提出了测量设置和测试参数的建议。该方法不仅对冲击损伤具有高敏感性，还可以快速、精确和无损地评估受到冲击加载后的复合材料结构的残余寿命并且具有无损性。
图3. (a) 低速冲击落锤试验机; (b) 冲击破坏后的选定测试试样，冲击能量明显升高; (c) 低速冲击后红外热成像试验温升结果
Katunin A, Pivdiablyk I, Gornet L, Rozycki P. A hybrid method for determination of fatigue limit and non-destructive evaluation of composite structures after low-velocity impact loading. Compos Part B: Eng 2022; 238: 109898.
4. A highly efficient self-consistent clustering analysis method with field refinement capability for the mesoscale damage behavior of 3D woven composites
三维机织复合材料细观损伤行为的高效自洽聚类分析方法
翻译：白杨
为了有效地平衡高维损伤问题求解的精度和效率，结合细观损伤模型，该文提出了一种具有场精细化能力的自洽聚类分析框架（RESCA），用于研究三维机织复合材料（3DWCs）的细观破坏行为。RESCA方法涵盖离线、在线和整合损伤信息的现场精细化三个阶段。在第三阶段，提出了一个损伤相关的场细化框架，实现基于聚类的场去均匀化和有效地重建基于体素场信息。结果表明，RESCA方法由于可以获得更高质量的初始场，因此较FFT方法能够以更少迭代步数收敛至同等误差值，且能够准确预测局部应力集中、基于体素的损伤场分布和损伤累积过程，而传统SCA方法则无法做到这一点。更重要的是，与直接有限元分析（FEA）方法相比，RESCA方法可以将计算效率提高25~55倍。RESCA方法在三维机织复合材料损伤分析中具有效率和精度的双重优势。
图4.（a）三维机织复合三阶段RESCA求解框架；（b）3DWC RVC基于聚类的重建过程；（c）3DWC RVC模型损伤单元百分比的累积过程。
Wu S, Guo L, Li Z, Zheng T, Huang J, Han X, Jia F, Man S. A highly efficient self-consistent clustering analysis method with field refinement capability for the mesoscale damage behavior of 3D woven composites. Compos Sci Technol 2024; 252:110609.
5. Influence of realistic microscopic fiber misalignments on compressive damage mechanisms of 3D angle-interlock woven composites: In-situ measurements and numerical simulations
真实微观纤维错位对3D角联锁机织复合材料压缩损伤机制的影响：原位测量与数值模拟
随机纤维错位已被证明对传统单向层压板的抗压强度有显著影响。然而，在三维编织复合材料的研究中，由于难以精确表征纱线中单根纤维的错位角度，这些固有的制造缺陷通常被忽视。该研究旨在探讨实际纤维错位分布对三维编织复合材料压缩损伤机制的影响，并建立纤维错位与压缩强度及损伤积累之间的定量关系。研究通过原位测量纤维错位角度，进行统计分析，并将结果引入高保真代表性体积单元模型中。随后，结合压缩试验对模型进行验证并开展参数化研究。结果表明，纤维错位角度的存在会显著影响损伤的发生时间、顺序和模式，且随着纤维错位标准差的增加，损伤程度也相应加剧。
图5. 经纱随机初始错位的现场测量：(a) 经纱采样规则；(b) 点 C、D 和 E 处的微观纤维错位和统计结果；(c) 错位角的相对频率以及随机纤维错位对抗压强度的影响；（d）沿径向的压缩应力应变曲线；（e）沿径向不同角度参数下的压缩强度变化
Wang X, Zheng T, Li Z, Guo L C. Influence of realistic microscopic fiber misalignments on compressive damage mechanisms of 3D angle-interlock woven composites: In-situ measurements and numerical simulations. Compos Sci Technol 2024; 245: 110317.
6. Dynamic crash responses of bio-inspired aluminum honeycomb sandwich structures with CFRP panels
CFRP型铝蜂窝夹层结构的动态碰撞响应
大自然为我们应对现代社会面临的设计挑战提供了非凡的资源。事实证明，受动物外壳启发的多态结构能有效提高复合材料层压板的抗冲击性能。本研究旨在确定由碳纤维增强塑料（CFRP）板和铝蜂窝组成的生物启发夹层结构的碰撞响应和耐撞性特征。本文探讨了碰撞响应、失效模式以及芯材边长、高度和冲击速度对峰值载荷和能量吸收的影响。对 CFRP 铝蜂窝夹层和裸 CFRP 面板之间的耐撞性差异进行了量化。试验中观察到两种典型的载荷-位移关系，即单峰曲线和双驼峰曲线。从能量-位移曲线上可以看出，上下面板破坏阶段的斜率大于蜂窝破坏阶段的斜率，这表明铝蜂窝的能量吸收能力低于 CFRP 面板。相比之下，蜂窝填充是提高 CFRP 结构抗冲击性能的有效方法，可获得更高的能量吸收和更低的冲击峰值载荷。研究还发现，耐撞性特性对芯材长度的敏感性高于对芯材高度的敏感性；比能量吸收（SEA）随芯材高度的增加而变化不大。研究还注意到，在冲击速度较高的情况下，峰值载荷、吸收能量和比能量吸收（SEA）都会显著增加。
图. 蜂窝夹芯结构试样示意图。
图. 蜂窝夹层结构的破坏机理。
图6. 边长对：(a) 峰值和平均载荷以及 (b) 能量吸收的影响。
Wu Y, Liu Q, Fu J, et al. Dynamic crash responses of bio-inspired aluminum honeycomb sandwich structures with CFRP panels[J]. Composites Part B: Engineering, 2017, 121: 122-133.
7. Ballistic and delamination mechanism of CFRP /aluminum laminates subjected to high velocity impact
高速冲击下CFRP/铝层合板的弹道和分层机理研究
复合材料/金属层合板兼有复合材料的高比强度和金属材料的高韧性特征，在航空结构损伤容限和轻量化设计中具有较好的应用前景。该文围绕CFRP/铝层合板，对等厚度的单一CFRP层合板和铝/CFRP/铝层合板分别开展材料级动态压缩试验和元件级钢球高速冲击试验。基于试验和损伤检测结果，该文的主要结论如下：（1）两种层合板的能量吸收随冲击能量增加呈双线性特征，铝/CFRP/铝层合板的能量吸收高于等厚度的CFRP层合板，使铝/CFRP/铝层合板具有较高的弹道极限；（2）CFRP层合板表现为脆性特征，背弹面出现拉伸破坏，并伴随纤维劈裂拔出和纤维断裂飞出，呈现“X”形侵彻，铝/CFRP/铝层合板背弹面有大面积凸起，铝层和CFRP层的界面脱粘，CFRP层部分纤维从基体拔出但纤维断裂不明显，呈现“Λ”形侵彻；（3）由于铝层的约束，铝/CFRP/铝层合板的损伤面积小于等厚度的CFRP层合板，CFRP层损伤的主要原因为不同方向铺层具有不同的抗弯刚度，刚度不匹配会导致层间界面应力分布不均匀，剪切波在层间沿不同的分层方向传播，最终导致分层。
图7.（a）CFRP层合板和铝/CFRP/铝层合板的能量吸收随冲击能量增加变化趋势对比图；（b）CFRP层合板（左）和铝/CFRP/铝层合板（右）的冲击破坏模式对比图；（c）CFRP层合板（上）和铝/CFRP/铝层合板（下）的C扫描结果对比图。
Gao Y, Shi L, Lu T, Xie W, Cai X. Ballistic and delamination mechanism of CFRP /aluminum laminates subjected to high velocity impact. Eng Fract Mech 2024; 295:109797.
8. Rapid prediction of compression after impact properties of composite structures: An equivalent strategy for impact damage
复合结构撞击特性后压缩快速预测:冲击损害的等价策略
将低速冲击（LVI）损伤引入至有限元模型中，以实现对复合材料层压板及加筋板压缩后屈曲（CAI）力学性能的精准预测是一个比较复杂的问题。本研究巧妙融合了有限元模拟技术与实验验证手段，采用图像识别技术将复合材料层合板和加筋板的冲击损伤划分为不同区域，并根据测量的冲击损伤大小和形态进行了等效损伤，成功构建了等效冲击损伤模型。此模型旨在全面评估层压板与加筋板在经历冲击后的CAI屈曲特性及整体力学性能，其模拟结果与实验数据展现出高度的一致性，从而有力证实了该等效冲击损伤模型在精确性与有效性方面的出色表现。该研究揭示了不同损伤等效区域内材料刚度和强度参数的动态变化，这些参数随着损伤程度的加深而相应减弱。同时还引入了三维损伤模型，考虑了层间分层损伤与层间基体及纤维损伤之间的复杂相互作用，能够精准刻画不同损伤模式的起始、发展及扩展过程。
图8.（a）层合板冲击损伤提取与等效过程；（b）等效损伤模型与数值模型和试验的CAI失效对比（c）加筋结构损伤等效模型建立与验证。
Zou J, Lei Z, Liu D,et al. Rapid prediction of compression after impact properties of composite structures: An equivalent strategy for impact damage. Composite Structures, 2023, 307:116655.
9. Novel computational model for the failure analysis of composite pipes under bending
用于复合材料管件弯曲失效分析的新型计算模型
在海洋工程领域，复合材料因其减重及缓解高张力特性而备受青睐，并为制造深海立管开辟了可能性。鉴于海底管道服役环境的复杂性，深入探究其在复杂载荷下的失效行为具有重要意义。该文提出了一种新型计算模型，用于分析多层纤维增强复合管在轴向弯曲载荷的力学行为与损伤特性，并将其与有限元模型和已发布的结果进行对比从而验证该模型的准确性。随后，利用验证后的计算模型探究了堆叠顺序和缠绕角度对失效行为的影响，以实现最优设计，并确定了管道的最大弯矩和临界弯曲半径。该方法还可进一步揭示最大弯矩与弯曲刚度的直接联系，而与弯曲半径无直接相关性。与层压板理论不同，该模型考虑了拉伸与剪切的耦合的影响效应，这显著提高了应力状态预测的准确性。在未来的设计研究中，可以通过该模型预测的最大负载图和可弯曲半径图来确定合适的缠绕角度和堆叠顺序，以此确定试验件的构型尺寸。
图9. （a）弯曲载荷作用下复合材料管件的三维模型；（b）有限元模型与理论计算模型结论对比图；（c）（d）不同角度下（0°与90°）厚管与薄壁圆管全应力分布图
Wang T, Menshykov O, Menshykova M. Novel computational model for the failure analysis of composite pipes under bending. Compos Sci Technol, 2024; 256:110757.
10. Utilization of fibers in ultra-high performance concrete: A review
纤维在超高性能混凝土中的应用综述
纤维对于增强超高性能混凝土（UHPC）的力学性能，特别是抗拉和抗弯强度方面表现得至关重要。该文从以下几个方面系统综述了不同织构和几何形状的纤维对UHPC性能的影响：（1）钢纤维与UHPC基体的结合机理；（2）纤维形状、纤维取向和钢纤维混杂对UHPC微观结构、破坏模式、力学性能、自收缩和耐久性的影响；（3）合成纤维（聚乙烯醇纤维（PVA）、聚丙烯纤维（PP）、聚乙烯纤维（PE））、矿物纤维（玄武岩纤维、硅灰石纤维）和碳纤维在UHPC中的增强机理及其对UHPC性能的影响；（4）混杂纤维的使用及其对UHPC力学性能和收缩的协同作用。最后，该文对UHPC中纤维的未来研究趋势进行了展望。
图10.（a）不同钢纤维含量的UHPC 28天典型压应力应变曲线；（b）不同钢纤维含量的UHPC 28天典型弯曲应力应变曲线；（c）纤维取向和UHPC弯曲强度之间的关系；（d）不同类型纤维的UHPC抗压强度；（e）混杂纤维UHPC的自收缩。
Gong J, Ma Y, Fu J, Hu J, Ouyang X, Zhang Z, Wang H. Utilization of fibers in ultra-high performance concrete: A review. Compos Part B: Eng 2022; 241:109995.
11. Modified mode I fracture toughness calculation method for composite laminate with large scale fiber bridging
考虑大范围纤维桥接的复合材料层合板I型断裂韧性的改进
计算方法
分层是碳纤维复合材料层合板最常见和最危险的失效模式之一，因此，复杂工程条件下分层的产生和扩展在工程应用和学术研究中都备受瞩目。本文旨在评估现行ASTM方法在计算含纤维桥接复合材料层合板Ⅰ型断裂韧性的局限性，并提出改进的断裂韧性计算方法。首先开展了双悬臂梁（Double cantilever beam, DCB）试验，得到的荷载-位移曲线特征与典型复合材料Ⅰ型断裂试验结果相吻合。然而，现行ASTM方法忽略了纤维桥接的增韧效应，导致计算得到的断裂韧性存在不确定性。因此该文考虑了纤维桥接的影响 ，提出了一种改进方法，在分层扩展的不同阶段（起始、桥接形成和稳定扩展）分别引入经验修正因子。随后，采用内聚力模型进行数值模拟，分别将修正方法和ASTM方法计算得到的断裂韧性作为输入，对比仿真预测与试验得到的载荷-位移曲线。结果表明，基于改进方法的断裂韧性显著提高了预测精度，表明了该方法适用于含大范围纤维桥接的复合材料Ⅰ型断裂韧性计算。
图11.实验设置（a）DCB测试设备设置；（b）DCB测试样本；（c）测试样本中的纤维桥接；（d）试验所得荷载-位移曲线。
Duan Q, Hu H, Cao D. Modified mode I fracture toughness calculation method for composite laminate with large scale fiber bridging. Compos Struct 2024; 349-350:118521.
12. Multifunctionality of Additively Manufactured Kelvin Foam for Electromagnetic Wave Absorption and Load Bearing
增材制造的凯尔文泡沫在电磁吸波和承载方面的多功能性
该文报道了一种增材制造的基于开尔文泡沫的电磁波吸波体（KF-EMA），它具有电磁波吸收和具有恒定相对刚度的轻质承重结构等多种功能。基于调整设计参数，如骨架结构和组成材料，所提出的KF-ema采用多层3d打印设计，由炭黑基骨架复合材料制成几何优化的KF结构。所研制的KF-EMA在5.8~18 GHz频率范围内吸光度大于90%（平均电磁波吸收率为95.89%，15.8 GHz频率下最大电磁波吸收率为99.1%），而低密度结构（≈200 kg m−3）在压缩下仍保持刚度和相对密度（n=2）之间的压缩指数。该设计策略为使用超材料作为结构增强的电磁波吸收剂铺平了道路，通过优化单一低密度结构的单胞参数，实现了多功能。
图12.（a）具有电磁波吸收和机械强化双重功能的开尔文泡沫基电磁波吸收器（KF-EMA）；（b）KF-EMA的电磁特性随参数变化的仿真结果；（c）KFEMA结构力学特性的实验验证；（d）KF-EMA结构的电磁吸收函数的实验和数值证明；（e）具有相同相对密度的KF-EMA和八元桁架能量吸收能力的循环压缩试验。
Jeongwoo Lee, Dahyun Daniel Lim, Jinwoo Park, et al. Multifunctionality of Additively Manufactured Kelvin Foam for Electromagnetic Wave Absorption and Load Bearing, Small. 2023, 19,2305005.
13. Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture resistance with crack orientation insensitivity
具有强大抗断裂性能和裂纹方向迟钝性
的非连续纤维Bouligand结构
该研究设计了一种由Bouligand结构和nacreous阶梯结构组成的不连续纤维Bouligand（DFB）结构，通过3D打印制备了这种结构的试样，并进行了三点弯曲测试。实验结果表明，DFB结构的总能量耗散与初始裂纹方向无关，并在临界螺距角下达到最大值。断裂力学分析表明，DFB结构中产生的裂纹扭曲和桥接机制使其具有优异的断裂韧性且不受裂纹方向的影响。裂纹扭曲和桥接机制之间的竞争导致了在临界螺距角下最大的有效断裂能量。此外，通过调整裂缝桥接的断裂能量、螺距角、纤维长度和扭曲角度分布，可以实现优化的断裂能量。这些研究结果揭示了自然界如何演化出具有优异断裂韧性和裂纹方向不敏感性的材料，并为设计能够适应不同方向载荷的仿生纤维复合材料提供了通用的设计策略。
图13.（a）具有DFB结构的3D打印单边切口弯曲试样的几何图；（b）不同初始裂纹取向β的单向、正交和Bouligand结构的断裂形态。
图14.（a）分别在单向、正交和具有不连续纤维的Bouligand结构中，初始裂纹尖端取向β与总能量耗散En的关系图；（b）不同长度下能量耗散和俯仰角之间的关系图；（c）不同俯仰角下l=25 cm结构的能量耗散图；（d）在不同初始裂纹取向β下，结构的裂纹扭转区和裂纹桥接区的无量纲释放应变能U和无量纲裂纹表面积S；（e）不同节距角下的无量纲有效断裂能以及释放应变的比例；（f）不同节距角下实验研究裂纹扭转区和裂纹桥接区的裂纹表面积比例的理论计算。
Kaijin W ,Zhaoqiang S ,Shuaishuai Z , et al.Discontinuous fibrous Bouligand architecture enabling formidable fracture resistance with crack orientation insensitivity.[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2020,117(27):15465-15472.
14. Low velocity impact of Kevlar and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) rein forced epoxy composites
凯芙拉和超高分子量聚乙烯增强环氧复合材料的低速冲击
复合材料因其优异的抗损伤特性、显著的成本效益和多用途设计能力而在安全保障和国防领域得到了广泛应用。鉴于复合材料在其服役周期范围内容易遭受各类冲击事件(低速、高速乃至超高速)，因此对其在冲击载荷下的性能进行全面分析，对于提升整体结构的安全性至关重要。本文以12层和20层Kevlar纤维和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维增强环氧树脂复合材料为研究对象，在模拟低速冲击环境下（落锤冲击和悬臂摆冲击）的性能进行了系统性对比和分析。在悬臂摆冲击试验中，发现Kevlar复合材料在试样中心出现损伤和纤维断裂，而UHMWPE复合材料产生了分层损伤。另外，发现Kevlar复合材料的最大冲击强度随着层压板数量的增加而增加。落锤冲击试验表明，Kevlar复合材料具有最优的能量吸收能力。复合材料在冲击试验中的不同损伤行为表明了不同的冲击失效机理。
图15.（a）Izod冲击试验用冲击试样；（b）落锤冲击中复合材料的冲击力-时间曲线；（c）Izod冲击中复合材料的吸收能量-时间曲线。
Mayyadah S. Abed，Payman S. Ahmed，Jawad K. Oleiwi，Basim M. Fadhil. Low velocity impact of Kevlar and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) rein forced epoxy composites. MMMS 2020; 16(6):1617-1630.
15. A numerical study on impact and compression after impact behaviour of variable angle tow laminates
变角丝束层合板冲击和冲击后压缩性能的数值研究
变刚度复合材料层合板在大型结构的制造方面具有强大的潜力。然而，其设计的复杂性需要借助数值仿真的方法对这类新型复合材料的结构和力学性能进行研究。本文基于有限元方法，研究了变刚度复合材料层合板的冲击和冲击后压缩（CAI）性能预测问题，重点研究了纤维取向、基体开裂和分层之间相互作用的影响。采用基于双线性粘聚力单元（Cohesive element）和粘聚力接触（Cohesive contact）进行显式有限元仿真分析。举例验证了该模型在预测冲击损伤和后续压缩强度方面的有效性。研究结果表明：分层损伤是层合板冲击后压缩强度显著降低的主要原因，分层裂纹主要沿着界面下方层合板的纤维方向扩展，同时纤维取向会对分层的扩展有着显著的影响。曲线纤维会通过改变分层区域的屈曲机制而使得CAI损伤演化发生变化。此研究提高了对基体裂纹和分层之间相互作用的理解，初步阐释了关于分层起始以及基体裂纹和纤维取向如何相互作用的问题。为变刚度复合材料层合板的仿真建模分析提供了一种新的方法和思路。
(a)
(b) (c)
图16.（a）有限元模型;（b）直纤维裂纹和分层损伤示意图;（c）曲线纤维裂纹和分层损伤示意图。
Dang T D , Hallett S R .A numerical study on impact and compression after impact behaviour of variable angle tow laminates[J].Composite Structures, 2013, 96:194-206.
16. Assessing the mechanical performance of natural fiber thermoplastic composite sandwiches for advanced applications
评估天然纤维热塑性复合夹芯结构在高级应用中的力学性能
绿色复合材料以其可生物降解和可回收的属性而闻名，最近获得了极大的关注。它们的可持续性、环保性和轻质特性使其成为传统塑料基材料的引人注目的替代品。本研究深入研究了黄麻和亚麻热塑性复合材料层压板的机械性能，包括拉伸、弯曲和冲击测试性能。此外，它还探讨了分别用黄麻和亚麻织物增强的夹层复合材料的弯曲性能。为了实现这一目标，我们制造了各种复合层压板，包括黄麻/PP、亚麻/PP（纤维质量分数 64.2%）、亚麻/PP（纤维质量分数45.0%）和等离子处理的亚麻/PP（PTF/PP）复合材料层压板使用压缩成型技术。我们还将亚麻和黄麻天然织物作为增强材料整合到三明治表面层的聚丙烯（PP）基体中，并以回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫作为芯材，制作了三明治复合材料。这允许对它们的功能特性进行全面的比较分析。除了机械测试外，还对各种复合材料层压板进行了差示扫描量热法（DSC）分析，以评估这些不同配方中 PP 的结晶度水平和熔融行为。进一步的表征包括傅里叶变换红外（FTIR）光谱和数字成像分析。我们的实验结果明确表明，亚麻/PP 复合材料层压板在弯曲、拉伸和冲击性能方面优于黄麻/PP 复合材料层压板。在三明治复合材料方面，与黄麻/PP/PET 泡沫相比，亚麻/PP/PET 泡沫表现出最高的抗力性，以及卓越的弯曲强度和模量。值得注意的是，黄麻/PP/PET 泡沫的分层和破损发生率较高。有趣的是，两种夹层复合材料在冲击试验中表现出几乎相同的性能。此外，亚麻复合层压板的等离子体处理对特定机械性能有有益影响，与亚麻/PP（8.6% 纤维质量分数）层压板的性能相比，弯曲强度提高了54.09%（45.0 MPa）。
图17.（a）PP薄膜和复合层压板的热重分析结果。（b)样品的差示热重分析。
Ravishankar P , Arya M , Dhakal H ,et al.Assessing the mechanical performance of natural fiber thermoplastic composite sandwiches for advanced applications[J].Results in Materials, 2024, 23.DOI:10.1016/j.rinma.2024.100600.
17. Machine learning approach to evaluating impact behavior in fabric-laminated composite materials
评估层压复合材料冲击行为的机器学习方法
该文运用多种机器学习模型来预测织物堆叠（碳和凯夫拉纤维织物）复合材料的冲击行为，并对比了不同模型的精度。首先开展了多种工况下的低速冲击试验收集试验数据，利用冲击能量和层压板厚度信息训练机器学习模型，预测冲击力、位移和吸收能量等冲击特性。四种机器学习模型（线性回归、多项式回归、支持向量回归和多层感知器(人工神经网络)）被用来预测并研究相同材料层（纯碳和纯凯夫拉）和混杂（碳与凯夫拉混合）叠层复合材料的冲击行为。研究结果表明多项式回归模型对冲击力和位移的预测精度较高，分别达到80%和89%，支持向量回归模型预测吸收能量的准确率约为96%。此外，该文分析了织物叠层（碳和凯夫拉纤维织物）复合材料的低速冲击力学响应，结果表明相同材料的叠层结构比混杂叠层结构更不稳定；并且随着叠层层数的增加，凯夫拉纤维和混杂叠层结构在较高的冲击能量下吸收能量增加3倍。此外发现，与相同材料的叠层结构相比，混杂堆叠顺序对位移响应的影响较小。该研究强调了数据集多样性和保真度对于提升机器学习预测精度的重要性，并且为堆叠纤维材料的抗冲击设计提供了见解。
图18. 机器学习方法预测混合层压复合材料低速冲击性能的框架。
Hiremath S, Zhang Y, Zhang L, et al. Machine learning approach to evaluating impact behavior in fabric-laminated composite materials. Results in Engineering 2024; 23: 102576.
18. DA-CNN-based similar terahertz signal identification for intelligent characterization of internal debonding defects of composites under high-resolution mode
基于DA-CNN的相似太赫兹信号识别在高分辨率模式下对复合材料内部脱粘缺陷进行智能表征
随着玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料在工程结构中的广泛应用，对其进行质量检测以评估其健康状况显得尤为迫切。脱粘缺陷作为玻璃钢制造和全寿命使用过程中的一种典型损伤形式，不仅会降低复合材料的结构强度和剩余性能，而且会给系统的整体安全性带来不可预测的挑战。近年来，太赫兹（THz）光谱与人工智能（AI）技术的结合在复合材料内部缺陷自动识别方面显示出巨大的潜力。然而，传统的人工智能算法难以对相似的太赫兹信号进行分类，并且由于特征提取能力有限，可能会降低缺陷的太赫兹检测精度。本文提出了一种基于可变形注意卷积神经网络（DA-CNN）框架的太赫兹表征系统，该系统首先通过太赫兹时域谱（THz-tds）建立缺陷数据集，然后采用DA-CNN框架，通过对太赫兹信号的精确分类，实现缺陷的自动定位和成像。值得注意的是，本文提出的DA-CNN框架具有强大的特征提取能力，可以自动识别GFRP内部缺陷，特别是对于脱粘缺陷边缘的相似太赫兹信号。通过一系列实验验证了该系统的有效性，为复合材料内部脱粘缺陷的智能、自动太赫兹表征提供了新的解决方案。
图19.（a）GFRP脱粘缺陷太赫兹表征系统框架；（b）成像数据集的2D和3D成像；（c）成像数据集的样本；（d）DA-CNN框架。
Wang X, Xu Y, Cui Y, et al. DA-CNN-based similar terahertz signal identification for intelligent characterization of internal debonding defects of composites under high-resolution mode[J]. Composite Structures, 2023, 322: 117412.
19. Numerical investigation of the compressive behavior of 2.5D woven carbon-fiber (2.5D-CFRP) honeycomb and experimental validation
2.5D编织碳纤维蜂窝材料压缩性能的数值研究及试验验证
蜂窝结构具有高比强度、优异的能量吸收特性、重量轻及高抗冲击强度等特点，在工业应用中作为夹层材料的核心层越来越受到重视，特别是2.5D编织碳纤维增强塑料（2.5D-CFRP）蜂窝结构因其良好的性能而备受青睐。该文旨在通过数值模拟与试验验证相结合的方法，深入研究2.5D-CFRP蜂窝结构在准静态压缩下的力学行为及其损伤机理。该文构建了一种采用基于传统宏观力学模型和代表性体积元（RVE）模型的优化模型，针对2.5D-CFRP蜂窝的准静态压缩行为进行了数值研究。为了提高模拟精度，在传统宏观力学模型中引入了粘度正则化准则。通过对比试验和数值模拟得到的2.5D-CFRP蜂窝在准静态压缩条件下的位移-载荷曲线，分析了粘滞系数与模拟精度的关系（图20（1）），进一步阐明了2.5D-CFRP蜂窝在破碎过程中的损伤机理。采用组合式VUMAT子程序开展了RVE模型仿真，准确模拟了2.5D-CFRP蜂窝在不同铺层方向上纤维的损伤失效过程（图20（2））。结果表明，修正后的宏观力学模型能够揭示准静态压缩过程中蜂窝壁的扭转和折叠机理，而非仅仅聚焦于蜂窝壁交点处的纤维损伤。
图20.（1）加入粘性正则化准则的准静态压缩实验和数值计算得到的位移载荷图；（2）不同铺层角度下纤维损伤状态云图：（a）0°纤维方向拉伸损伤；（b）0°纤维方向压缩损伤；（c）90°纤维方向拉伸损伤；（d）90°纤维方向压缩损伤。
Chen H, Liu X, Zhang Y, Xiao C, Zhang T, Zhang Y, Hu Y. Numerical investigation of the compressive behavior of 2.5 D woven carbon-fiber (2.5 D-CFRP) honeycomb and experimental validation. Compos Struct 2019; 312; 116858.
20. A progressive damage model for 3D woven composites integrating kinking-buckling competition
一种考虑扭结-屈曲竞争的三维机织复合材料的渐进损伤模型
三维机织复合材料（3DWC）由于复杂的内部结构，即使在简单的单轴载荷下，其损伤模式也总是多种多样的，想要仅通过宏观实验来捕捉 3DWC的具体损伤积累过程是相当困难的。该研究提出了一种考虑纤维微屈曲失效、纤维扭结失效、纱线横向纤维间失效、基体失效和界面脱粘的渐进损伤模型（Kinking-Buckling PDM），以预测三维机织复合材料的压缩力学行为。该渐进损伤模型采用纤维扭结和纤维微屈曲破坏来表征纤维纱线的纵向破坏，建立双线性损伤演化模型来控制各组分的损伤积累。随后使用细观RVE有限元模型结合Kinking-Buckling PDM探究了3DWC在压缩下的复杂失效过程，并使用相关试验结果验证了该渐进损伤模型的准确性。结果表明随着纤维初始错位角的增加，3DWC的抗压强度显著下降，同时3DWC的主要失效模式将从纤维微屈曲转变为经纱中的纤维扭结。
图21.（a）纤维3D扭结模型；（b）微屈曲模型；（c）细观RVE有限元模型；（d）数值模拟应力应变曲线与试验结果对比图。
Wu S, Li Z, Zheng T, et al. A progressive damage model for 3D woven composites integrating kinking-buckling competition. Eng Fract Mech 2024;295:109805.
21. Post impact repair of in-situ polymerisable thermoplastic based carbon fibre composite and its assessment under compression after impact loading
原位聚合热塑性基碳纤维复合材料冲击后修复及冲击载荷后的评价
复合材料对冲击十分敏感，在收到冲击后会导致材料性能的急剧下降，如何修复损伤的材料成为目前亟待解决的问题。本研究探讨了一次性热塑性碳纤维增强复合材料的冲击响应、冲击损伤、修复和强度恢复的可行性。采用落锤冲击试验，冲击能量分别为40 J、30 J和20 J，这些能量冲击主要造成分层损伤，而在40 J有纤维断裂的证据。修复是通过在真空中温度高于玻璃转变温度下热再固化受冲击试件的实现的。x射线微计算机断层扫描（CT）和超声c扫描的结果都显示该修复方法有显著的效果。使用冲击后压缩（CAI）夹具进行压缩试验，在40 J、30 J和20 J时的冲击强度分别为78 %、88 %和93 %。使用CAI试验进行修复后的抗压强度，在40 J冲击下恢复了85 %的原始强度，在30 J和20 J冲击下都恢复了接近100 %的原始强度。这些研究结果充分验证了热再固化方法的有效性以及在复合材料修复领域的极大应用潜力。
图22.（a）压缩刚度（kN/mm）；（b） ASTM D7137标准下测试的不同试样的抗压强度（MPa）。
注1-平均强度和刚度值的百分比变化相对于原始试样的平均强度和平均刚度；注2-在压缩试验期间，当试样从0.5 mm移动到1 mm时，根据荷载变化与位移变化之比计算刚度。
Gursahib Singh Bhatia, Akshay Hejjaji, Anthony J. Comer,Post impact repair of in-situ polymerisable thermoplastic based carbon fibre composite and its assessment under compression after impact loading,Composites Part B: Engineering,Volume 283,2024,111687.
22. An analytical model for the ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene composite
一种预测聚乙烯复合材料冲击性能的理论模型
超高分子聚乙烯（UHMWPE）复合材料因其比刚度与比强度高的优点而被广泛应用，因此对其抗冲击性能的研究具有重要意义。该文基于能量法建立了一种解析模型，来预测超高分子聚乙烯层合复合材料在受到冲击时吸收的能量、抗冲击极限与冲击持续时间等。从弹体接触靶板开始，按照选定的时间步长迭代计算不同时刻弹体运动状态与靶板应力应变分布，并判断当前与弹体接触的铺层是否发生失效，该模型考虑了剪切冲塞与拉伸失效两种失效模式。当靶板被击穿或弹体停止运动时，计算停止。通过将多个算例的理论预测结果与试验结果对比，证明了该模型能够较为准确地预测UHMWPE复合材料的抗冲击极限（图23（a））与冲击后弹体剩余速度（图23（b））。该文研究结果表明，在UHMWPE复合材料受冲击过程中，拉伸应变、层间分层与部分靶板动能增加为主要的能量吸收机制（图23（c））。
图23.（a）抗冲击极限的理论预测结果与试验结果对比图；（b）弹体剩余速度的理论预测结果与试验结果对比图；（c）冲击过程中能量吸收示意图。
Langston T. An analytical model for the ballistic performance of ultra-high molecular weight polyethylene composites. Comp Struc 2017; 179:245-257.
23. A modified spring-mass model of low-velocity-impact on composite laminate including shearing deformation at delaminated region and reduction on membrane stiffness
考虑分层区剪切变形和膜刚度降低的复合材料层合板低速冲击修正弹簧-质量模型
本研究基于膜刚度摄动分析和弯曲刚度修正分段叠加，建立了复合材料层合板在大质量破坏作用下响应预测的修正弹簧-质量模型。基础弹簧-质量模型如图24（a）所示，表征了冲击过程中的弯曲、剪切、膜和接触效应。在不考虑纤维断裂的情况下，基体内裂纹和层间分层引起的力学性能局部降低，将导致弹簧质量模型相应刚度系数的退化。在冲击损伤出现后，将损伤涉及的膜刚度和弯曲刚度代入基础弹簧-质量模型。分层引起的弯曲刚度降低的计算可以转化为准静态分布载荷下局部不连续的层合板结构的响应分析，如图24（b）所示。图24（c）表明，通过对比不同分层模式的结果，分析方法和有限元模拟之间的误差随着子层数的增加而增加，但能有效控制在5%以内的误差。有限元仿真结果表明，随着层合板厚度的增加，基于一阶剪切变形理论 （FSDT） 的分段叠加法对分层层合板抗弯刚度的评价精度明显高于基于经典板理论 （CPT）的分段叠加法。对玻璃钢层合板进行了落锤冲击试验，验证了模型的有效性。图24（d）结果显示，基于FSDT的模型比基于CPT的模型更准确地用于破坏性大质量冲击响应分析。
图24.（a）弹簧-质量模型示意图；（b）含分层的FRP层压板的分段平衡；（c）不同分层模式Kb的比较；（d）模型与实验的接触力比较。
Zhu Q, Yu Z. A modified spring-mass model of low-velocity-impact on composite laminate including shearing deformation at delaminated region and reduction on membrane stiffness. International Journal of Impact Engineering. 2024;185:104847.
24. Experimental and numerical studies on the impact response of damage tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminates
耐损伤混杂单向/编织碳纤维增强层合板冲击响应的试验和数值研究
在复合材料航空结构设计中，低速冲击作为一种关键的载荷工况，其影响不容忽视。相较于单向复合材料，机织复合材料表现出优异的抗冲击性能，其损伤扩展能够被有效限制在较小区域内，展现出卓越的抗损伤性能。为了深入探究层间混杂复合材料的低速冲击损伤行为与失效机制，该研究采用AS4碳纤维和单向高强度IMS60碳纤维编织而成的5线束缎纹（5HS）织物，开展了不同铺层碳纤维/环氧树脂层合板的低速冲击试验。开发了一种基于有限元的计算损伤模型，并且融合了单向层内损伤模型以及编织层内损伤模型，层间损伤模型采用Abaqus/Explicit中内置的内聚接触定义。然后结合标准落锤冲击试验结果验证了该模型的可靠性。基于该损伤模型分别对混杂单向/编织碳纤维增强复合材料层合板和等效纯单向碳纤维增强材料层合板的性能进行了评估，结果表明混杂层合板具有更好的抗冲击性能。
图25.（a）低速冲击试验装置；（b）损伤模型的程序流程图；（c）损伤模型的有限元验证；（d）基于损伤模型的混杂层合板与纯单向层合板的抗冲击性能对比。
Liu H, Falzon BG, Tan W. Experimental and numerical studies on the impact response of damage-tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminates. Compos Part B Eng 2018; 136: 101-118.
