近日，《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊发表了一篇由爱丁堡大学材料与工艺研究所工程学院研究团队完成的有关3D打印仿梭碳纤维增强聚合物复合材料的螺栓连接承载性能与渐进失效分析的研究成果。该文章研究了 3D 打印碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料螺栓连接的承载性能和渐进失效分析，并强调了纤维转向对损伤机制的影响，为设计更先进的复合材料螺栓连接提供了理论依据。论文标题为“Bearing performance and progressive failure analysis of bolted joint in 3D printed pseudo-woven CFRP composite with fibre steering”。
该研究首先建立了3D打印仿梭CFRP复合材料的微观模型，该模型包含纤维束和环氧树脂基体，并分析了其力学性能。
图1. 多尺度建模策略流程图。
该研究将微观模型的力学性能参数和纤维引导信息嵌入到宏观有限元模型中，构建了多尺度有限元模型。该模型考虑了纤维束和基体的损伤演化，并使用LaRC05失效准则评估损伤起始。通过模拟螺栓连接的加载过程，研究人员研究了纤维引导对连接性能和失效模式的影响。
图2 有限元模型的示意图
图3 试样（伪编织试样）中各成分体积分数的定义。
研究结果表明，保持螺栓孔边缘的纤维连续性对复合材料的承压性能至关重要，可以有效地分散螺栓孔周围的应力集中，防止过早的剪切破坏。此外，纤维导向模式对连接件的破坏模式有重要影响。研究发现，仅保持纤维连续性并不一定是最佳策略，还需要优化纤维方向，以实现更好的载荷传递和结构完整性。
图4 Abaqus复合材料螺栓接头在双剪拉伸载荷下单层简化模拟的几何和边界条件示意图。
该研究通过建立多尺度有限元模型，对 3D 打印织碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料螺栓连接的承载性能和渐进失效进行了分析。研究结果表明，保持螺栓孔周围纤维的连续性对降低应力集中和提高连接性能至关重要。
图5 有限元计算损伤模式与最终测试试样螺栓孔周围中厚区域的显微CT切片图像对比
图6 从塑性变形到初始破坏的每种情况的比较分析：（a）显示基体本构退化分布的渐进轮廓序列（1表示完全破坏，0表示无损伤）；（b）当螺栓沿X轴位移0.8mm时，纤维拉伸断裂开始（1表示断裂开始，0表示无断裂）。
此外，纤维引导可以显著改善复合连接的性能，合理的纤维引导设计可以避免脆性断裂并提高结构的完整性。
图7 纤维压缩初始损伤分析：（a）有限元计算损伤模式；（b）模拟结果与实验CT切片图像的比较。
该研究开发的多尺度有限元模型能够有效地模拟3D打印仿梭CFRP复合材料螺栓连接的承载性能和渐进失效过程。研究结果表明，纤维引导对连接性能和失效模式有显著影响，合理的纤维引导设计可以显著提高连接的承载能力和抗损伤能力。该研究成果为3D打印复合材料结构的失效分析提供了一种有效的数值模拟方法，并为未来基于纤维引导的复合材料结构设计提供了理论依据。该研究有助于提高3D打印复合材料结构的性能和可靠性，并推动其在航空航天等领域的应用。
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