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1. Compression performance of composite plates after multi-site impacts: A combined experimental and finite element study
复合材料层合板的多点冲击剩余压缩强度研究：试验与有限元仿真
翻译人：赵子龙 审核人：韩泽华
本文针对飞机机身使用的碳纤维增强复合材料层合板受多点冲击后的损伤容限进行了研究。本研究设计了一种新型夹具，用于对两种不同厚度的板材进行连续低速冲击试验，这两种板材分别模拟了飞机机身上部和下部所使用的面板。本研究还使用了一种新型的冲击后压缩装置用于测量剩余压缩强度，该装置可以防止薄板发生整体屈曲。试验结果表明，与单次冲击相比，多点冲击会降低薄板的剩余强度，但对厚板的影响不大。为了进一步研究试验结果，本文还建立了一个有限元模型，该模型能够在仿真中模拟多点冲击和冲击后压缩。仿真结果表明，对于薄板，在发生破坏之前，第二次冲击损伤改变了薄板失效前的屈曲形状。针对压缩强度、层间断裂韧性等关键材料参数进行的参数分析表明，这些参数对剩余压缩强度的影响并不显著。本研究有助于在设计飞机面板时更好地防范多点冲击所带来的潜在威胁。
图解：实验中的力-时间曲线和典型试验件的C扫描图：图a）和图b）分别为试验中薄板及厚板在（-25,+15）位置遭受两次连续冲击的情况。图c）和图d）分别为数值模拟中薄板和厚板的力-时间曲线及损伤情况，观察到基体损伤，未观察到纤维损伤。
Psarras S, Muñoz R, Ghajari M. Compression performance of composite plates after multi-site impacts: A combined experimental and finite element study[J]. Composite Structures, 2023, 322: 117342.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117342
2. Biomimetic architected materials with improved dynamic performance
改进动态性能的仿生微结构材料
翻译人：李天震 校核人：梁子睿
近年来，通过发现新块体材料从而改善材料性能的趋势放缓。相比之下，在"微结构材料"的概念下，许多新奇的材料特性已经证实了存在，这些材料特性由材料的微观结构主导而不是主要成分。经过数百万年演化，大自然是"材料结构大师"-几乎所有的天然材料都具有精致完美、组织有序的结构，表现出优异的抗冲击性和损伤容限性。本文设计了模拟生物材料的微结构并利用3D打印制作微结构梁，其动态性能远远超出了均匀材料梁。通过动态三点弯曲实验和DIC表征5种仿生微结构（包括层状、砖瓦状、同心六边形、十字层状和旋转胶合板微结构），并采用材料指数的概念提出了构型选择的标准。阐明了生物优先选择特定微结构的原因，以及如何针对特定的工程应用来优化选择材料架构。此外，还研究了应用于多尺度以及特定尺度领域的微结构集成方法。应用这些方法设计了刚柔并济、兼具刚度和韧性且高耗散和快速响应的微结构梁，这些特征往往是块体材料无法兼具的。此外，材料微结构改变了梁的断裂模式，使临界冲击能量提高了6倍以上。本文提出对结构-性能关系的新见解，有助于开发具有柔性、强度、韧性、能量耗散和快速响应等定制性能的微结构材料。
图解：(a) 仿生微观结构；(b) 改进的分离式霍普金森压杆系统、夹具和试件示意图；(c)实验结果；(d) 同心六角形结构梁的动力性能。
Jia Z, Yu Y, Hou S, et al. Biomimetic architected materials with improved dynamic performance[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2019, 125: 178-197.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.12.015
3. Effect of different sintering additives type on Vat photopolymerization 3D printing of Al2O3 ceramics
不同烧结助剂对光固化3D打印Al2O3陶瓷的影响
翻译人：韩泽华 审核人：赵子龙
3D打印氧化铝（Al2O3）陶瓷的力学性能因微观各向异性、层间界面缺陷和微孔特性而降低。为了提高其力学性能，采用光固化3D打印技术分别制备了固相烧结（SPS）、液相烧结（LPS）和固液相烧结（SLPS）Al2O3陶瓷。本实验以Al2O3为主要材料，研究了TiO2固相添加剂、MgO-SiO2液相添加剂和TiO2-MgO-SiO2固液相添加剂对Al2O3陶瓷烧结行为和力学性能的影响，以期提高Al2O3陶瓷的烧结密度和力学性能。通过收缩率、相对密度、拉曼光谱、XRD和SEM表征，确定了最佳配比和烧结温度。在最佳烧结条件下，液相烧结制备的Al2O3陶瓷综合性能更均衡，并且具有优异的力学性能，抗弯强度达317±34MPa，维氏硬度达1250±102HV30。本文制备了九种类型的桁架结构来研究它们的力学性能。通过改变结构类型，抗压强度的顺序为FCC>BCC>DLS；通过改变单元数，抗压强度的顺序为3×3×3单元>2×2×2单元>1×1×1单元。液相烧结制备的Al2O3陶瓷具有优异的压缩性能和能量吸收能力，3×3×3单元的FCC结构抗压强度可达23.2±1.7MPa。
图解：A.3D打印Al2O3陶瓷晶格结构: (a-c) SPS; (d-f) LPS; (g-i) SLPS. B.不同结构类型和不同单元阵列数量的Al2O3陶瓷: B.抗压强度: (a) SPS; (b) LPS; (c) SLPS. C.能量吸收:(a) SPS; (b)LPS; (c) SLPS.
Yong Zeng, Xingfu Chen, Lijun Sun, Haihua Yao, Jimin Chen. Effect of different sintering additives type on Vat photopolymerization 3D printing of Al2O3 ceramics. Journal of Manufacturing Processes 83 (2022): 414-426.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.09.022
4. Ballistic impact modeling of woven composites using the microplane triad model with meso-scale damage mechanisms
基于微平面三元模型的中尺度损伤机理编织复合材料弹道冲击建模
翻译人：梁子睿 校核人：李天震
在机织复合材料中，起伏的填充纱和经纱的存在使得复杂的晶胞几何形状和成分之间产生多尺度的相互作用。因此在弹道冲击等复杂载荷作用下，失效过程涉及各种中尺度组分级的失效模式，这对传统基于宏观损伤张量的模型来说是一个挑战。本文发展了一种多尺度微平面三元模型，可以有效解决编织复合材料弹道冲击问题中的难题。该模型可以解析细观尺度下组分级别的细节（包括纱线波动），不仅可以预测编织层的弹性常数，还可以预测其断裂行为。在目前的调整中只制定了两个损伤定律，分别用于纤维和基体。这使得该模型能够准确反应编织层的 I 和 II 型断裂能。分别利用组分级别和单层级别的实验数据对模型进行校准，进而将模型用于预测单个平纹编织层在宽速度区间下的弹道冲击行为。该模型可以很好地预测弹丸残余（回弹和穿透）速度、能量耗散、破坏模式及程度、弹道极限和变形锥波传播速度。与现有的传统模型相比，该模型具有建模简单、架构清晰以及计算高效等优势。本文应用该建模方法对多层厚截面编织层合板在冲击载荷下的层内及层间失效破坏行为进行了仿真分析。结果表明，本模型与LS-Dyna的商用材料模型MAT162的精度相当，且具有更好的计算效率。通过参数敏感性分析，表明编织层的I型和II型断裂能是关键的材料参数。最后讨论了微平面三元模型的最优网格划分考虑因素以及优缺点。
图解：(a):平纹代表性单胞(RUC)示意图及微观平面坐标系示意图; (b):弹道曲线对比
图解：实验与仿真的背板冲击形貌对比图:(a)=104m/s; (b)=153m/s; (c)=174m/s; (d)=472m/s;
Ochilov J ,Abdullah T ,Kirane K .Ballistic impact modeling of woven composites using the microplane triad model with meso-scale damage mechanisms[J].International Journal of Impact Engineering,2024(187): 104920
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2024.104920
5. Low-velocity impact simulation of carbon fiber reinforced composite laminate using IFF-criterion based on BP-ANN
基于IFF准则和BP-ANN的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击仿真研究
翻译人：姚华柯 校核人：赵子龙
复合材料在低速冲击后的损伤特性难以预测，并且数值模拟所需时间较长。本文基于反向传播神经网络（BP-ANN）模型，对碳纤维增强复合材料层合板的低速冲击（LVI）数值模拟与Puck纤维间失效准则进行研究。本文在3个不同能级下进行了低速冲击数值模拟，并提取了单元应力分量，经过数据筛选和分层采样，生成了以5个应力牵引力作为输入和以相应的断裂角作为输出的训练集。利用该数据集，建立了一种基于BP-ANN模型的断裂角搜索算法，BP-ANN模型包含3个隐藏层。利用MATLAB和ABAQUS子程序对算法进行了测试，结果表明该算法与其他常用算法相比表现出较高的效率，并明显缩短了仿真时间（与Puck搜索算法和SRGSS搜索算法相比，时间分别降低了22.75%和38.06%）。与试验结果相比，分层区域长度和宽度的预测误差分别为5.56%和11%，峰值力和最大位移误差分别为11.7%和6.9%，仿真结果与试验结果吻合度较好。
图解：分层失效结果图（a）试件C扫描图，黄色区域是层合板的失效区域;（b）用ANN算法预测分层面积;（c）使用Puck搜索算法 （d）使用 SRGSS 搜索算法
Zhang Z ,Zhang K ,Zhang G , et al.Low-velocity impact simulation of carbon fiber reinforced composite laminate using IFF-criterion based on BP-ANN[J].Aerospace Science and Technology,2024,148109095-.
6. Numerical investigation on normal and oblique ballistic impact behavior of functionally graded plates
功能梯度板在垂直和倾斜弹道冲击下的数值研究
翻译人：郑泽森 校核人：韩泽华
本文提出了一种数值模型，用于确定功能梯度板在垂直和倾斜冲击下的弹道性能。功能梯度板由金属(Al6061)和陶瓷(SiC)组分组成。两种组分的体积分数在功能梯度板的整个厚度上的变化是根据幂律确定的。Mori-Tanaka细观力学模型用于确定板分级区域的局部材料特性。在弹道分析中，对具有富金属(n=0.1)、线性(n=1.0)和富陶瓷(n=10.0)材料组分的功能梯度板在不同冲击角度下的变形和损伤条件进行了研究。此外，弹道极限速度是装甲设计中的一个重要参数，可由弹丸在不同冲击角度下撞击功能梯度板确定。研究发现，材料组分梯度以及弹丸冲击角度对板的弹道性能起着重要作用。
图解：功能梯度板（n=0.1、n=1.0和n=10.0）的连续变形和穿透深度在射弹倾角为0°时（v=600 m/s）的数值模拟结果。
Chen Y, Pang B, Zheng W, et al. Experimental investigation on normal and oblique ballistic impact behavior of fiber metal laminates[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2013, 32(23):17691778.DOI:10.1177/0731684413498434.
7. Hygrothermal durability of glass and carbon fiber reinforced composites – A comparative study.
玻璃纤维和碳纤维增强复合材料的湿热耐久性——对比研究
翻译人：万泽周 校核人：梁子睿
复合材料不可避免地会暴露在复杂的环境中，因此了解环境对复合材料的影响至关重要。在这项研究中，将CFRP碳纤维和GFRP玻璃纤维复合材料暴露在相同的湿热环境中，以比较其环境耐久性。首先评估了它们在湿热处理前后，在扫描电子显微镜下(SEM)的微观形貌及低速冲击的响应曲线，结果表明CFRP的冲击性能得到改善，GFRP的冲击性能显著下降。而后又对其湿热老化后的拉伸性能进行了研究，结果表明CFRP的模量和强度分别下降了11.01%和15.98%，GFRP的模量和强度分别下降了29.72%和28.53%。去除水分后，CFRP的抗拉强度恢复到原值的95.75%。GFRP的强度仅为原值的74.65%。最后又对单个玻璃纤维进行拉伸实验并观察了场发射型扫描电镜(FESEM)下的微观形貌，结果表明老化玻璃纤维的失效应变和强度低于参考玻璃纤维，且在老化的玻璃纤维表面观察到微小的裂纹（纳米级）。在目前的研究中，这种微小的裂纹是引起玻璃纤维强度下降的主要原因。由此可见，与GFRP复合材料相比，CFRP复合材料具有更好的环境耐久性。
Fig. 11. Tensile stress/strain curves of CFRP and GFRP laminates from different groups.
图解：不同组的CFRP和GFRP层压板的拉伸应力/应变曲线。
Zhong Y, Cheng M, Zhang X, et al. Hygrothermal durability of glass and carbon fiber reinforced composites–A comparative study[J]. Composite Structures, 2019, 211: 134-143.
