【原创资讯】美国索菲亚大学开发出可模拟CFRP层压板损伤的仿真方法

碳纤维增强塑料（CFRP）是一种质轻但坚固耐用的材料，在航空航天和交通运输等领域具有广泛的应用前景。然而，在它们的设计阶段需要进行耗时的实验，这通常会很昂贵。在最近的一项研究中，研究人员开发了一种准三维扩展有限元方法，这是一种新的、计算高效的方法来模拟CFRP层压板中的损伤传播。

具有优异机械性能的结构材料在各种领域都会有应用，而提高结构材料性能的可靠方法是在不影响其强度的情况下使其更轻，CFRP可能是这种方法中最突出的例子。CFRP是由微小但极其坚固的碳纤维对树脂基体增强而成，由于其质量轻、耐用性高和机械性能优异，CFRP层压板正被用于最先进的航空航天、运输和建筑中。然而，设计CFRP层压板可能是一项非常耗时的工作。工程师在调整给定设计时必须进行多次强度测试，以确定CFRP试样的基准。这推高了最终产品的成本，阻碍了CFRP在更广泛领域的应用。

在这种背景下，索菲亚大学研究生院Wang Chenyu 博士和索菲亚大学Toshio Nagashima教授开发了一种新的方法来对CFRP层压板中的损伤传播进行数值模拟。研究人员将他们的方法建立在准3D扩展有限元法（XFEM）的基础上。在FEM中，结构或材料被划分为称为单元的小区域，然后求解每个单元的物理方程，以确定系统的整体响应。研究中使用的“扩展”版本增加了捕捉不连续性周围局部效应的函数，从而能够更准确地模拟裂纹扩展形式的损伤扩展。

值得注意的是，由于CFRP层压板是由堆叠的材料层制成的，因此将其建模为平面（二维或2D）将无法捕捉诸如分层之类的异常情况。相比之下，三维（3D）FEM模拟将是计算密集型的，并且设置起来很复杂。为了克服这些问题，研究人员采取了一种平衡的方法。他们首先将所需的CFRP层压板建模为由四边形有限元组成的二维结构，并标记了可能出现裂纹的位置；然后，在厚度方向上投影了这种结构，而用于模拟分层和基体裂纹的模型是通过他们的模拟系统自动生成的。这种策略使计算变得易于管理，并使模拟CFRP损伤的建模更加便捷有效。

为了验证该方法的有效性，研究人员对CFRP层压板进行了三种不同强度和损伤扩展测试的模拟，并将其结果与其他研究中报告的实验数据进行了比较。第一种是开孔拉伸试验，在一端锚固的同时，从另一端拉出中间有圆孔的CFRP层压板；第二个是准静态压痕（QSI）测试，将坚硬的半球缓慢而稳定地压在CFRP层压板上；最后，第个次试验是冲击后压缩试验，其中对QSI试验中的受损试样施加压缩力，以评估其完整性和损伤容限。

总体而言，所提出的仿真方法与实验数据吻合较好，优于现有的基于准三维XFEM的技术。Wang博士对这种新方法的潜力充满信心，他说：“如果将这项研究的结果用于相关领域，碳纤维增强塑料等复合材料的应用将变得更加广泛和有效。未来，如果复合材料的损伤可以通过数值模拟更有效和准确地预测，它们的成本将会降低。如果这些轻质、高强度材料进一步应用于交通运输，将对节能和环保产生积极影响。”

参考文献：Da‍mage propagation analysis of CFRP laminate by quasi-3D XFEM‍ using hexahedral elements,Composite Structures,DOI: 10.1016/j.com‍pstruct.2023.11702‍4