平纹机织碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料具有较高的比刚度和强度，已广泛应用于航空和航空结构的设计和制造，如飞机机翼和机身。其固有的机织结构提供了几种优良的机械性能，如改进的抗冲击性、优越的设计灵活性和可成形性等。然而，平纹机织的CFRP复合材料对冲击事件很敏感，特别是低速冲击，这不可避免地会造成层压结构产生内部损伤。此外，这些内部损伤大多难以检测到，但它们很可能会降低整个复合材料结构的剩余抗冲击性能和抗压强度。因此，有必要对平纹机织CFRP复合材料的低速冲击（LVI）和冲击后压缩（CAI）行为进行研究。
2022年，《Composite Structures》期刊发表了郑州大学在基于多尺度模型框架的平纹机织CFRP复合材料低速冲击和冲击后压缩性能预测方面的研究工作，论文标题为“Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites”。
该研究建立了一个多尺度建模框架来预测平纹机织CFRP复合材料的LVI和CAI行为。利用微观尺度RVE模型预测了碳纤维纱线的有效性能。基于纱线的有效性能与CDM方法相结合，建立了介观尺度RVE模型来确定平纹机织层压板的有效性能。为了提高计算效率，采用ECPL模型简化了介观尺度RVE模型。ECPL模型由0°和90°亚单胞组成，通过局部均质化方法进行介观尺度RVE建模，并获得其有效性能。最后将ECPL模型模拟结果与实验结果进行了比较。
图1 所研究的平纹机织CFRP复合材料的多尺度结构示意图：(a)微观结构的扫描电镜图；(b)介观尺度结构的OM图；(c)微观模型和(d)介观尺度RVE模型
基于碳纤维在基体中呈六边形分布的假设，利用Abaqus软件建立了微观尺度RVE模型。考虑碳纤维与基体之间的完美结合，如图2(a)所示。为保证计算效率和精度，采用C3D4四面体单元对微观尺度RVE模型进行离散，网格尺寸为0.05μm左右。在有限元模拟过程中应用周期边界条件，最后生成周期网格，如图2c所示。
图2 (a)碳纤维纱线；(b)微观尺度RVE；(c)平纹机织CFRP复合材料的FE模型
平纹机织CFRP复合材料的力学性能不仅取决于纱线和基体的力学参数，还取决于其固有的机织结构。因此，根据OM观测到的纱线结构参数和纱线取向，利用TexGen软件构建了高保真的介观尺度RVE模型，如图3所示。在RVE构造过程中，将纱线的机织路径简化为直线和正弦曲线的组合，并假定其截面为椭圆。
图3 (a)CFRP复合材料的介观尺度RVE；(b)CFRP复合材料的FE模型
ECPL模型的构建过程主要包括三个步骤，如图4所示。首先，将经纱、纬纱以及每根纱上附着的基体分别划分为0°层和90°层，如图4a所示。第二步是根据局部同质化方法计算0°和90°层的有效属性。如图4b所示，在介观尺度RVE模型上规定了6种加载场景，以获得有效的应力-应变响应。最后，将0°和90°等效转化为0°和90°的亚单胞，并将这些亚单胞错开，建立ECPL模型，如图4c所示。
图4ECPL模型构建流程图：(a)介观尺度RVE模型的划分；(b)纱线和基体力学行为的局部均质化；(c)ECPL模型
图5显示了在不同压缩位移下，能量分别为8J、10J和12J的冲击试样中界面4的分层预测情况。当压缩位移为1.43mm时，8J情况下的试样很可能完全为分层破坏，而12J的LVI冲击试样的分层破坏强度要小于8J。但是12J的试样还没有完全破碎。通过对比CFRP复合材料内部各界面的层间损伤，发现各界面均出现分层现象，其中界面4的分层面积最大。因此，在CAI过程中也需要强调层间损伤模式。
图5 预测的界面4的分层
（2）此外，还进行了CAI实验和仿真，以探讨损伤行为并获得剩余抗压强度。在所有冲击能量情况下，实验和模拟的残余抗压强度差均小于6%。随着冲击能量的增加，残余抗压强度明显降低。此外，CAI损伤最初出现在现有的LVI损伤周围，然后沿着填充纱线方向延伸到左右边缘。研究还发现，在CAI过程中出现了纤维断裂、基体开裂和分层，但复合材料的最终失效主要是基体开裂和分层。此外，随着冲击能量的增加，CAI损伤强度逐渐减弱。
原始文献:
Qiaoli Zhao, Weihan Wang, Yutong Liu, Yuliang Hou, Jishuai Li, Cheng Li，Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites, Composite Structures 299 (2022) 116090, https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116090.
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