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1. Study on interlaminar performance of CNTs/epoxy film enhanced GFRP under low-temperature cycle

低温循环下CNTs/环氧膜增韧GFRP的层间性能研究

翻译：曹俊超

复合材料层合板受到冲击载荷作用时容易发生分层损伤，如何对层间进行增韧以提高层合板的抗分层性能一直备受关注，并且交变温度环境对层合板层间性能的影响尚不明确。该文通过在层间插入碳粉/环氧膜和碳纳米管/环氧膜来优化层间性能，并对低温循环（-58℃~室温之间21次循环）后的试样开展了层间剪切（ILSS）试验、端部缺口弯曲（ENF）试验和双悬臂梁（DCB）试验，以探究低温循环和层间增韧对复合材料层间剪切强度、II型层间断裂韧性和I型层间断裂韧性的影响。结果表明，碳纳米管/环氧膜增韧复合材料的I型和II型断裂韧性均高于未增韧和碳粉/环氧膜增韧复合材料，且碳纳米管/环氧膜显著提高了复合材料的层间剪切强度；另外，低温循环会导致增韧与未增韧材料的三类层间性能有轻微的降低，且对碳纳米管/环氧膜增韧材料的影响最小。SEM断面分析结果表明，CNTs的无序性和交错性促进了连接机制，在界面粘附中起着重要作用，从而增强了层间阻力。

图1.（a）I型层间断裂韧性结果；（b）II型层间断裂韧性结果；（c）层间剪切强度结果；（d）CNTs增韧复合材料的SEM断面图像. 

Han C, Wang G, Li N, Wang M, Liu X, Ma J. Study on interlaminar performance of CNTs/epoxy film enhanced GFRP under low-temperature cycle. Compos Struct 2021; 272: 114191.

2. High strain rate compression of epoxy micropillars

环氧微柱的高应变率压缩研究

翻译：顾佳辉

在微机电系统（MEMS）、先进涂层和尺寸效应等前沿问题的牵引下，材料在微纳尺度的力学行为已成为当前的研究热点之一。目前，微米级的柱状试样结合原位压缩测试已成为表征材料微纳尺度原位力学性能的有效手段，然而对材料在微纳尺度下的高应变率力学行为研究仍缺乏有效的实验方法。该研究研制了一种新型的高应变率微柱压缩装置，利用摆式纳米压痕装置作为冲击结构，结合毫牛级压电式载荷传感器和电容位移传感器分别测量试样的载荷响应和压缩位移。利用有限元仿真方法，评估了微柱锥度、加载偏轴等因素对于测量精度的影响。通过与宏观试样的试验结果进行对比，表明该实验装置能够有效测试宽应变率范围内微米级环氧树脂的力学响应。试验结果揭示了微纳尺度下环氧树脂的压缩强度表现出显著的应变率敏感性，而弹性模量没有明显变化。该研究成果为复合材料中的树脂富集区原位力学性能研究提供了一种新的高应变率测试方法。

图2.（a）高应变率微柱压缩试验装置；（b）不同应变率下环氧树脂微柱压缩响应对比；（c）环氧树脂宏观试样与微柱试样的峰值应力-应变率相关性；（d）环氧树脂微柱试样压缩前后的形貌对比

Rueda-Ruiz M, Monclús MA, Beake BD, Gálvez F, Molina-Aldareguia JM. High strain rate compression of epoxy micropillars. Extreme Mech Lett 2020; 40:100905.

3. Silicon carbide coated carbon nanotube porous sponge with super Elasticity, low Density, high thermal Resistivity, and synergistically enhanced electromagnetic interference shielding performances

碳化硅包覆碳纳米管多孔海绵，具有超弹性、低密度、高热阻、协同增强的电磁干扰屏蔽性能

翻译：李佳丽

高热阻、轻质、柔性的电磁干扰（EMI）屏蔽材料是各种尖端领域中保护精密电子仪器的迫切需求。在该研究中，采用低温生长策略，成功构建了碳纳米管（CNT）@碳化硅（SiC）的3D多孔复合海绵，具有综合优异的性能，包括：15-32mg/cm³的低密度；在96%的压缩应变下具有95%的高形状恢复的超弹性；可逆的压缩-释放稳定性，在1000次加载-卸载循环后，形状保持率为86%，应力保持率为85%；在氩气中超过1000°C或在空气中超过700°C的优异热阻；在X波段的EMI屏蔽效能高达75.7 ± 6 dB，这是碳化硅（SiC）基多孔EMI屏蔽材料的最高值。研究结果不仅为下一代极端条件下EMI屏蔽材料的开发提供了指导，而且为探索多孔EMI屏蔽材料背后的基本机理提供了思路。

图3. (a)具有不同密度的纯CNT和CNT(x)@SiC(x+2)样品的电导率；(b-c)碳化硅层的密度（红）和厚度（蓝）随生长时间变化；(d)纯CNTS 15和不同CNTS@SiC复合材料样品的SET值；(e-f) (e)Pure CNTS 15和(f) CNTS15 @SiC(17)复合材料的压缩应力-应变曲线；（g）在设定应变(ε=40、60、80%)下纯CNTS 15（蓝）和CNTS15@SiC(17)复合材料（红）的滞后损失；（e）在20 mm min^-1的应变速率下进行1000次压缩-释放循环试验后，CNTS15和CNTS(15)@SiC(17)样品在80%压缩应变下的机械性能。

Tang CQ, Zhang S, Zhang JP, et al. Silicon carbide coated carbon nanotube porous sponge with super Elasticity, low Density, high thermal Resistivity, and synergistically enhanced electromagnetic interference shielding performances. Chem. Eng. J 469 (2023) 144011.

4. Finite element method based micromechanical methodology for homogenizing fiber/fabrics-reinforced composites and their progressive failure

基于有限元法的微观力学方法：纤维/织物增强复合材料的均质化及其渐进性失效

织物的复杂微观结构使得使用像Mori-Tanaka和单元法这样的解析/半解析微观力学方法对其进行均质化具有挑战性。针对织物开发的解析方法可以准确预测其弹性常数，但很难预测材料的非线性力学行为。本文使用基于有限元法的微观力学方法来对纤维增强的平纹/斜纹/缎纹织物以及编织物/织物增强复合材料进行均质化。均质化基于Hill的平均定理，并利用约束来施加周期性位移和单胞边界上的反周期性应力，采用连续损伤力学方法来研究损伤的发生和进展以及材料性能的退化。预测的弹性常数、失效模式和织物的极限强度与文献中报道的实验或计算结果吻合较好。

图4. (a) 织物渐进式失效的算法示意图；(b) 织物结构（平纹、斜纹、缎纹、三轴编织结构）离散化网格; (c) 宏观预测（平纹、斜纹、缎纹、三轴编织结构）等效性能；

Gopinath G, Batra R C. Finite element method based micromechanical methodology for homogenizing fiber/fabrics-reinforced composites and their progressive failure. COMPOS STRUCT, 2022, 286: 115279.

5. Learning composite constitutive laws via coupling Abaqus and deep neural network

Abaqus和深度神经网络耦合学习复合材料本构关系

该研究将商用有限元软件Abaqus与深度神经网络（DNN）模型（Abaqus‐DNN力学系统）耦合，来学习纤维增强复合材料的本构模型。Abaqus‐DNN力学系统需要在Abaqus和DNN模型之间进行数据通信，从而能够利用Abaqus的多功能有限元分析和DNN的强大机器学习能力。其中，DNN以一种无形式的方式学习基本法，使得学习结果自动满足平衡和运动学方程，避免了与本构定律中的假定函数相关联的不准确性，并保证了学习的本构定律遵循物理定律。研究中，作者利用Abaqus‐DNN力学系统学习了纤维增强复合材料成分的全套工程常数。此外，该研究利用Abaqus‐DNN学习了基于平面应力的复合材料非线性各向异性损伤本构，并推导了相应的修正后向传播方程，其中输入和输出变量分别为三个平面内的应变和刚度矩阵中的四个独立项。这项研究结果表明，Abaqus‐DNN能够学习结构层级数据的本构关系，其预测结果与目标值非常接近，验证了Abaqus‐DNN学习本构规律的可行性，从而为通过耦合神经网络和商业有限元代码来发现未知力学机制和规律提供了一种通用方法。

图5. Abaqus-DNN分析框架及其结果对比。

TAO F, LIU X, DU H, et al. Learning composite constitutive laws via coupling Abaqus and deep neural network[J]. Composite Structures, 2021, 272: 114137.

6. Assessment of degraded stiffness matrices for composite laminates under low-velocity impact based on modified characteristic length model

基于修正特征长度模型的复合材料层合板低速冲击刚度退化矩阵评估

翻译：吴航

本研究旨在评估退化刚度矩阵和重新定义的特征长度模型在复合材料层合板低速冲击有限元分析中的适用性。利用ABAQUS中的用户自定义VUMAT子程序，采用多种损伤模型预测复合材料层合板的低速冲击损伤行为（图6（a）），同时提出匹配损伤模式的单元特征长度的计算方法（图6（b）），利用用户自定义VUCHARLENGTH子程序实现。在相邻层之间插入粘性单元来模拟冲击导致的分层。通过比较层合板在低速冲击下的整体力学响应和局部损伤行为，研究了不同损伤模型的适用性（图6（c）、图6（d））。数值结果表明，Maimi和Matzenmiller提出的退化刚度矩阵能够准确预测复杂损伤累积情况下的整体力学响应，而能量等效原理（PEE）和Linde模型不适合低速冲击模拟。在特征长度模型方面，与默认特征长度模型相比，重新定义的特征长度模型能够更准确地预测冲击能量增加时层合板的整体力学响应。

图6. （a）四种不同模型在11.03J冲击能量下的基体拉伸损伤云图；（b）单元在不同损伤模式和纤维方向下的断裂面；（c）在冲击能量为11.03J的条件不同损伤模型下的冲击力-时间、力-位移和能量-时间曲线；（d）11.03 J冲击能量下不同模型每个界面的总损坏面积和分层面积。

F. Wang, B. Wang, F. Kong, et al. Assessment of degraded stiffness matrices for composite laminates under low-velocity impact based on modified characteristic length model. Composite Structures, 2021, 272: 114145.

7. A resistance force model for spherical projectiles penetrating ballistic gelatin based on cavity expansion theory

基于空腔膨胀理论的球形弹丸侵彻弹道明胶的阻力模型研究

该文提出了一种球形弹丸侵彻弹道明胶的阻力模型，以研究球形弹丸侵彻弹道明胶后的运动过程。侵彻过程中，弹道明胶达到弹性极限即破坏，几乎没有塑性变形，因此，该文根据空腔膨胀理论，假设空腔壁向外有一层裂纹层，而后为弹性区，临界压力P_S是打开圆柱腔所需要的压力，即打开单位体积圆柱腔的变形能（图7(a)），该文提出，P_S是率相关的，并给出了近似表达式（参数可由试验确定）。该文改进了传统的阻力模型，基于临界压力P_S，通过能量转换和守恒关系建立了球形弹丸侵彻弹道明胶的阻力模型，其考虑了弹道明胶的惯性、强度和明胶抗力的率相关性，且发现阻力中率相关项的影响远大于准静态项（图7(b)）。通过开展不同直径球形弹丸侵彻弹道明胶试验，验证了所提出模型的有效性（图7(c)）。

图7.（a）弹道明胶侵彻过程的空腔膨胀行为；（b）阻力模型中的惯性力项（F_I）和明胶抗力项（F_T）及其关系随侵彻速度的变化；（c）改进的球形弹丸侵彻弹道明胶阻力模型对侵彻深度的预测效果。

[1] Liu L, Fan Y, Wang P, Zhang X, Lu Q. A resistance force model for spherical projectiles penetrating ballistic gelatin based on cavity expansion theory. Proc IMechE Part C: J Mech Eng Sci 2021, 235(17):3135–3145.