布鲁塞尔自由大学：多尺度建模预测连续纤维增强3D打印复合材料的弹性性能《Composites Part B》

导读

增材制造（3D打印）是一种新兴的制造技术。它使得设计有了更多的可能性，结构有了更多的自由度。同时，其易于进行小批量原型制造和快速成型的特性，使其成为了近期最有前途的复合材料制造工艺之一。同时，为了增强其力学性能，在基体中加入连续纤维的3D打印复合材料成为了近年来的研究热点。

为了能实用而准确地预测3D打印连续纤维复合材料的弹性性能，比利时布鲁塞尔自由大学的E.Polyzos（第一作者、通讯作者）及其研究团队在《Composites Part B》上发表了题为“Numerical modelling of the elastic properties of 3D-printed specimens of thermoplastic matrix reinforced with continuous fibres”的文章。通过微观-介观-宏观逐层推进的多尺度方法，完成了对带有玻璃纤维、碳纤维和凯夫拉尔纤维连续纤维的尼龙复合材料的弹性预测。

图1 全文思维导图

 内容简介

如图2所示，与传统复合材料致密且少孔隙（一般小于2%）的内部结构不同，3D打印复合材料由于其特殊的工艺方式，具有整齐分布且较高的孔隙（8%-12%很常见）。

图2 3D打印复合材料的孔隙分布及形状

针对这个特点，如图3所示，本文建立了多尺度模型。

图3 建立多尺度模型

第一步：如图4所示，在微观层面上，建立了立方堆积和六方堆积两种RVE单元，并施加周期性边界条件，推导出单丝的弹性性能；

图4 微观尺度

第二步：在介观层面上，加入孔隙，将空隙视为完美的圆形长圆柱体（特殊长纤维），再次取RVE单元并施加周期性边界条件，得到丝束的性能；

第三步：在宏观层面上，分为四个区域（墙壁，屋顶，地板和加固区域），并考虑铺层角度，建立复合材料总体的弹性性能。

应特别提到，本文的重要创新点之一，是在微观水平上最值得注意的是为基准测试程序开发了一种新型的微机械同心圆柱（CC）模型。CC模型的结果几乎与Mori–Tanaka模型的结果相同，这表明CC模型可以用作分析微观力学建模的一种实用且准确的替代方法。

小结

本研究展示了一种实用而有效的手段，建立了多尺度数值模型，用于确定具有连续纤维的3D打印材料的弹性，为3D cFRP整体数值结构建模奠定了基础。主要有以下两点结论：

1.CC模型可以用作分析微观力学建模的一种实用且准确的替代方法

2.本研究的多尺度数值模型是预测3D cFRP弹性特性的准确而实用的手段。

原始文献

Polyzos E, Van Hemelrijck D, Pyl L. Numerical modelling of the elastic properties of 3D-printed specimens of thermoplastic matrix reinforced with continuous fibres[J]. Composites Part B: Engineering, 2021, 211: 108671.

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836821000640?via%3Dihub

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108671

稿件整理：张鑫   编辑校对：张鑫

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