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1. Intralayer hybridization of triaxially braided composite lamina using carbon and basalt fibers: Experimental and numerical study
碳-玄武岩纤维层内混杂的三轴编织复合材料：
试验测试和数值模拟研究
翻译：党浩源
本文采用试验测试和数值模拟的方法，研究了四种不同混杂比对二维三轴编织复合材料拉伸性能的影响。这四种试样分别为：偏轴纱线和轴向纱线均为玄武岩纤维的试样（BB），偏轴纱线和轴向纱线均为碳纤维的试样（CC），偏轴纱线为玄武岩纤维且轴向纱线为碳纤维的试样（BC）和偏轴纱线为碳纤维且轴向纱线为玄武岩纤维的试样（CB）。试验结果表明：在轴向方向上，BC试样的刚度性能最高，而强度性能与BB试样和CC试样相当；在横向方向上，CB试样的力学能最高，BC试样和CC试样的力学性能相当，BB试样的力学性能最差。考虑到玄武岩纤维成本仅为碳纤维成本的1/10，因此BC试样在保证材料拉伸性能的同时可以显著降低材料的制造成本。另外，本文提出的细观有限元模型，因为忽略了纱线之间的相互作用以及材料成型过程中制造缺陷的影响，因而不能准确预测BC试样和CB试样的力学性能。
图1.（a）不同混杂比试样示意图；（b）不同混杂比试样沿轴向方向的刚度和强度性能对比；（c）不同混杂比试样沿横向方向的刚度和强度性能对比
Masoumi M, Mansoori H, Dastan T, Sheikhzadeh M. Intralayer hybridization of triaxially braided composite lamina using carbon and basalt fibers: Experimental and numerical study. Compos Struct 2021; 267: 113896.
2. Development of a compressive failure model for carbon fiber composites and associated uncertainties
一种考虑不确定性的碳纤维复合材料压缩失效模型
翻译：顾佳辉
一直以来，碳纤维增强复合材料的压缩强度受诸多材料微观因素（如纤维性能、界面性能、纤维位错等）影响而难以准确评估。该文发展了一种含纤维初始位错的微观数值模型，评估了单向复合材料压缩强度的各类影响因素。首先，经显微观察获取了该材料中的纤维典型初始位错角度统计分布，结合不同角度下模型的预测强度值，获得了材料整体的期望压缩强度。模型预测结果的准确性通过Zoltek PX-35单向拉挤棒材的试验结果进行了验证。为了进一步验证模型的敏感性，作者分别从纤维排布方式、网格周期性、材料力学性能参数方面，探究了其对于预测结果的影响。结果表明，纤维六边形分布和正方形分布模型的预测趋势大体一致，正方形排布的预测强度整体略高于六边形分布，而取两者平均值更接近于试验结果。此外，网格周期性和纤维的非纵向参数对于模型预测结果没有明显影响。而界面参数中，较小的界面剪切强度会导致预测压缩强度大幅降低。该文系统地分析了几何和参数不确定性对于碳纤维增强复合材料压缩强度的影响，其方法与结论对相关研究具有借鉴意义。
图2.（a）单胞模型选取示意；（b）不同纤维初始位错的模型预测应力应变曲线；（c）Zoltek PX-35材料的纤维初始位错分布；（d）两种纤维排布方式的预测结果对比；（e）、（f）界面剪切强度对于预测强度的影响。
Camarena E, Clarke R J, Ennis B L. Development of a compressive failure model for carbon fiber composites and associated uncertainties. Compos Sci Technol 2021; 211:108855.
3. Determination of the mode I, mode II, and mixed-mode I–II delamination toughness of a graphite/polyimide composite at room and elevated temperatures
室温和高温环境下石墨/聚酰亚胺复合材料的I型，II型和I/II混合型断裂韧性的测定
翻译：曹俊超
冲击载荷造成的分层损伤会显著降低复合材料结构件的强度，且这种影响在不同温度环境下以及不同加载模式下具有明显差异。该文测试了石墨/聚酰亚胺复合材料在室温和300℃下的I型、II型和I/II混合型层间断裂韧性，并且对常用的断裂韧性计算方法进行修正以应用到高温环境下的测试结果，另外对于II型和I/II测试，设计了一种包含校准块的新测试夹具能够实现试样在环境箱中被重新定位而无需打开环境箱。试验结果表明：1）室温下，II型断裂韧性明显高于I型；2）I型和混合型断裂韧性在高温下的数值均高于常温，但II型结果却相反；3）三种模式断裂韧性的温度相关性与基于微观力学并考虑树脂的温度效应所预测的一致；4）分层的起始和扩展受试样的局部几何形状、加载模式和测试温度等多种因素影响。
图3. (a)测试装置及高温炉；(b)不同温度及不同加载模式下的断裂韧性；(c)室温环境下DCB试样的SEM结果；(d)300℃环境下DCB试样的SEM结果。
Czabaj MW, Davidson BD. Determination of the mode I, mode II, and mixed-mode I-II delamination toughness of a graphite/polyimide composite at room and elevated temperature. J Compos Mater 2015; 0(0): 1-19.
4. Novel particle distributions for SPH bird-strike simulations
用于SPH法鸟撞数值模拟的新型粒子分布生成方法研究
SPH法是现阶段鸟撞数值模拟的常用方法，目前，SPH粒子的生成方法主要有立方晶格生成法和实体网格转化法，但是，立方晶格生成法难以处理鸟体边界上的粒子分布，实体网格转化法难以保证粒子的均匀性。为克服现阶段SPH粒子生成方法的上述不足，该文提出了一种基于改进加权Voronoi细分算法（Extended Weighted Voronoi Tessellation algorithm, EWVT）的粒子分布生成法，并基于平板鸟撞算例进行对比分析。该文发现，在相同的平均粒子密度下，相比于实体网格转化法生成的SPH粒子，基于EWVT生成的SPH粒子在鸟撞数值模拟中更加遵循能量守恒，即引入的系统总能量误差更小，如图4(a)所示，且在预测接触力时引入的波形振荡更小，如图4(b)所示，在动量计算中能规避“数值伪影”的影响。该文证明了基于EWVT的粒子生成方法具有在相同条件下计算精度、计算稳定性和计算效率的优势，提出需要对粒子间距等开展进一步研究。
图4. 相同平均粒子密度下EWVT法和实体网格转化法生成鸟体的特性对比示意图
（a）系统能量；（b）接触力
[1] Siemann MH, Ritt SA. Novel particle distributions for SPH bird-strike simulations. Comput Method Appl M 2019; 343:746-766
5. Low-velocity impact and compression after impact behavior of 3D integrated woven spacer composites
三维编织间隔复合材料低速冲击及冲击后压缩性能研究
三维编织间隔复合材料由于其优越的整体性能，克服了传统夹层复合材料在低速冲击下的缺点。该文研究了碳纤维三维编织间隔复合材料在低速冲击下的动态响应和冲击后压缩（CAI）破坏行为。采用超声C扫描和微CT技术对不同能量下的冲击损伤模式进行分析，并采用DIC进行CAI分析。结果表明:在7 J的冲击能量下，冲击后纬向压缩试件（X型）的冲击破坏面积为365.1 mm2, 冲击后经向压缩试件（Y型）的冲击破坏面积为371.4 mm2;两种类型的三维整体编织间隔复合材料试件的最大吸收能量非常接近，约为6.99 J, x型试件在承受7 J能量冲击后压缩强度下降了38.9%，y型试件的压缩强度下降了24.6%。研究得到了复合材料在低速冲击和CAI作用下的损伤机理，为工程实践中设计更适合的三维编织间隔复合材料结构提供了一定的指导。
图5(a) 三维一体机织间隔布结构原理图
图5 (b) 三维编织间隔复合材料标本照片
Jinfeng Peng, Deng’an Cai, Yuan Qian, Chang Liu,Low-velocity impact and compression after impact behavior of 3D integrated woven spacer composites,Thin-Walled Structures,Volume 177,2022,109450,ISSN 0263-8231
6. Determination and evaluation of Holmquist-Johnson-Cook constitutive model parameters for ultra-high-performance concrete with steel fibers
超高性能钢纤维混凝土Holmquist-Johnson-Cook
本构模型参数的确定及评估
本文基于各文献的试验数据，确定了钢纤维体积比为0%、1%、2%、3%的超高性能混凝土(UHPC)的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)模型参数，其中包括强度参数、损伤参数和压力参数。强度参数由三轴围压试验数据和动态压缩试验数据确定，通过单轴加载试验获得损伤参数，根据许贡纽试验数据得到了压力参数。
为了验证本构参数的准确性，开展了对钢纤维体积比为2%的一系列UHPC靶板进行接触爆炸试验，同时选择了相关文献报道的子弹分别冲击钢纤维体积比为0%、2%和3%的超高性能混凝土靶体试验进行模型验证，采用确定参数的HJC模型建立了两种试验的有限元模型并对试验工况进行了仿真。数值计算的弹坑直径、深度和侵彻深度与试验结果吻合较好，证明了确定的HJC模型参数能够充分有效地模拟UHPC在冲击和爆炸作用下的动态行为。
图6(a) 在接触爆炸试验中靶板的损伤图；图6(b) 在接触爆炸仿真中靶板的损伤图；图(c) 在冲击仿真中子弹的冲击模拟过程。
Wan W, Yang J, Xu G, et al, Determination and evaluation of Holmquist-Johnson-Cook constitutive model parameters for ultra-high-performance concrete with steel fibers, Int J Impact Eng, Volume 156,2021.
7. Mode I tensile fracture behavior of adhesively-bonded metal-metal, metal-CFRP, and CFRP-CFRP bi-material combinations analyzed by size effect method
基于尺寸效应法分析胶接的金属-金属、金属-CFRP和CFRP-CFRP双材料Ⅰ型拉伸断裂行为
本文研究和讨论了采用各种方法估计胶接的金属-金属、金属-CFRP以及CFRP-CFRP双材料组合的I型断裂能量（GIc）。首先采用传统的方法计算了6种组合的Ⅰ型断裂韧性，包括WOF、MBT、CC和MCC四种方法，但由于胶接厚度、胶层长度和胶附材料的不同，计算的断裂能会表现出不合理的差异，因此本文将尺寸效应法（SE）引入到胶接接头中，通过DCB试验重新估计了6种组合的Ⅰ型断裂韧性，值得注意的是该方法只需要峰值载荷，解决了金属塑性变形、界面脆性断裂和FPZ带来的影响，其结果表明：使用SE法获得的断裂能不依赖于试样的几何形状，客观的比较了6种组合的Ⅰ型断裂韧性，特别是金属/胶粘剂和CFRP/胶粘剂组合之间界面断裂的不同。对于金属-金属的组合模式，其最大的影响是金属弯曲导致的塑性能量耗散；对于金属-CFRP异种材料组合，其CFRP/粘附剂界面强度明显比金属/粘附剂界面弱；金属-金属的I断裂能量为1.72-1.95 N/mm，金属-CFRPA66为1.66-1.74 N/mm，CFRP66-CFRP66为1.55N /mm。最后还利用三维剖面仪对所有研究的材料组合进行表面分析，在DCB失效后，残留在金属附着物表面的胶粘剂体积远远多于CFRP附着物表面的胶粘剂，进一步证实了CFRP/粘附剂界面强度较弱。
图7 尺寸效应法拟合的实验数据曲线
图8 SE和MBT方法估算的I型断裂能结果对比
Qiao Y, Merkel D R, Nickerson E K, et al. Mode I tensile fracture behavior of adhesively-bonded metal-metal, metal-CFRP, and CFRP-CFRP bi-material combinations analyzed by size effect method. Composites, Part A, 2022;160:107025.
