碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）是一種輕質(zhì)且堅(jiān)固耐用的材料，在航空航天和運(yùn)輸領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。然而，在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)又費(fèi)錢(qián)。在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種準(zhǔn)三維擴(kuò)展有限元方法，這是一種新的計(jì)算效率高的方法來(lái)模擬CFRP 層合板的損傷傳播。他們的方法有助于推進(jìn)CFRP 層壓板的進(jìn)一步應(yīng)用。

　　設(shè)計(jì)CFRP層壓板

　　具有優(yōu)秀力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。提高結(jié)構(gòu)材料性能的可靠方法是在不影響其強(qiáng)度的情況下使其更輕。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）就是最為突出的應(yīng)用案例。CFRP 層壓板由碳（纖維）和環(huán)氧樹(shù)脂（基體）組成。根據(jù)纖維的方向可分為具有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)方向加固行為的層壓板。

　　由于其重量輕，耐用性高，機(jī)械性能優(yōu)異，CFRP 層壓板被納入最先進(jìn)的航空航天應(yīng)用，運(yùn)輸和建筑。然而，設(shè)計(jì)CFRP 層壓板可能是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作。每當(dāng)工程師調(diào)整給定設(shè)計(jì)時(shí)，都必須進(jìn)行多次強(qiáng)度測(cè)試來(lái)對(duì)CFRP 樣本進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。這增加了最終產(chǎn)品的成本并阻礙了CFRP 在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　在這種背景下，日本上智大學(xué)研究生院（Graduate School of SophiaUniversity）的Chenyu Wang 博士和教授Toshio Nagashima 開(kāi)發(fā)了一種新的方法來(lái)對(duì)CFRP 層壓板中的損傷傳播進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　基于擴(kuò)展有限元法的損傷模擬方法

　　研究人員的方法是基于擴(kuò)展有限元法（XFEM）的準(zhǔn)3D版本。在有限元法中，結(jié)構(gòu)或材料被分為稱(chēng)為單元的小子區(qū)域，然后求解每個(gè)單元的物理方程，以確定系統(tǒng)的整體響應(yīng)。本研究中使用的“擴(kuò)展”版本添加了捕獲不連續(xù)性周?chē)植啃?yīng)的功能，從而能夠更準(zhǔn)確地對(duì)裂紋擴(kuò)展形式的損傷傳播進(jìn)行建模。

　　值得注意的是，由于CFRP 層壓板由堆疊的材料層制成，因此將其建模為平面（二維或2D）將無(wú)法捕獲分層等異?，F(xiàn)象。相比之下，三維（3D）FEM 模擬計(jì)算量大且設(shè)置復(fù)雜。為了克服這些問(wèn)題，研究人員采取了一種平衡的方法。他們首先將所需的CFRP 層壓板建模為由四邊形有限元組成的二維結(jié)構(gòu)，并標(biāo)記了可能出現(xiàn)裂紋的位置。然后，他們?cè)诤穸确较蛏贤队霸摻Y(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)他們的模擬系統(tǒng)自動(dòng)生成用于模擬分層和基體裂紋的模型。該方法使計(jì)算易于管理，并且可以更輕松、更高效地模擬CFRP 損傷的建模。

　　為了驗(yàn)證其方法的有效性，研究人員對(duì)CFRP 層壓板進(jìn)行了三種不同強(qiáng)度和損傷傳播測(cè)試的模擬，并將其結(jié)果與其他研究報(bào)告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。第一個(gè)是開(kāi)孔拉伸測(cè)試，將中間有圓孔的CFRP 層壓板從一端拉出，另一端固定。第二個(gè)是準(zhǔn)靜態(tài)壓痕（QSI）測(cè)試，將堅(jiān)硬的半球緩慢而穩(wěn)定地壓在CFRP 層壓板上。最后，第三個(gè)測(cè)試是沖擊后壓縮測(cè)試，其中QSI 測(cè)試中損壞的樣本受到壓縮力，以評(píng)估其完整性和損壞容限。

　　總體而言，所提出的仿真方法的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，優(yōu)于現(xiàn)有的基于準(zhǔn)3D XFEM 的技術(shù)。Wang 博士對(duì)這種新方法的潛力充滿信心，他表示：“如果這項(xiàng)研究的結(jié)果能夠在相關(guān)領(lǐng)域得到利用，CFRP 等復(fù)合材料的應(yīng)用將變得更加廣泛和高效。”

　　碳纖維增強(qiáng)塑料的廣泛采用也可能產(chǎn)生重要的生態(tài)影響。“未來(lái)，如果能夠通過(guò)數(shù)值模擬更有效、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的損傷，其成本將會(huì)降低。如果這些輕質(zhì)高強(qiáng)材料進(jìn)一步應(yīng)用于交通領(lǐng)域，將對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生積極影響。”他補(bǔ)充道。

　　如果商用飛機(jī)能夠通過(guò)采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)降低燃油消耗和設(shè)計(jì)時(shí)間，那么飛行成本可能會(huì)顯著降低。

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