复合材料层板细微损坏的显式建模-有限断裂力学VS内聚力模型

2024-06-17

下面的文章来源于复合材料力学。，作者复小七呀

复合材料力学.

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1. 引言

由于其优异的机械性能，层压复合材料已广泛应用于航天工程、汽车制造等领域。但是，这种材料在受到外力作用时，容易产生横裂，影响结构的综合性能。当前，虽然实验方法可以直观地观察裂纹扩展过程，但由于实验条件和费用的限制，不能完全揭示裂纹扩展的微观机制和动态行为。所以，准确地模拟和预测裂纹扩展行为对评估材料的安全性和耐久性尤为重要。

最近，世界著名的期刊《Composites Science and Technology》在精细复合材料损伤模拟领域，发布了法国波尔多大学、艺术与技术学院、国家空间研究中心的研究。研究小组对层压复合材料的裂纹扩展特性进行了实验观察，并采用FFM和CZM进行了模拟。研究小组通过比较两种模型的结果，探讨了能量过剩处理方法和更真实地反映材料脆性行为的模拟方法，为更准确地预测和评估复合材料的损坏行为提供了新的方法和思路。标题为“论文标题”Explicit modelling of meso-scale damage in laminated composites – Comparison between finite fracture mechanics and cohesive zone model ”。

2. 研究方向和方法

研究小组为观察裂纹的萌生和扩展过程，准备了不同厚度的复合材料层压板样品，并进行了拉伸载荷检测。通过实验，团队收集了大量关键数据，如裂纹扩展路径、能量释放率和临界能量释放率，为后续的数值分析提供了可靠的实验依据。

图 1. 微观结构观测台架测试层压板在负载作用下。

图 2. 层压板开裂动力学

图 3. 与 [0/90/0] 层压板与多裂纹模块的几何形状有关。

图 4. 0.572 在不同的应变水平下，mm厚板的能量准则 (a) 和应力准则 (b) 与无量纲裂缝长度的演变相比。

在数值分析模型的建立上，文章基于FFM和CZM构建了相应的数值分析模型。这些模型可以模拟复合材料层压板在拉伸载荷下的裂纹扩展过程，并考虑材料特异性对裂纹扩展行为的影响。通过引入裂纹特性的分布，模型可以更真实地反映实际的损伤动力学。

图 5. CZM 经典的双线牵引分离标准在中间使用。

图 6. 试验与 FFM 比较

研究人员发现，在模拟厚层压板裂纹扩展过程中，存在能量利润问题，即释放的能量超过了完全损伤粘聚区所需的能量。为解决这一问题，比较了粘性正则化和动态正则化两种正则化方法。尽管这两种方法都可以消耗多余的能量，但是它们对裂纹扩展过程的影响是不同的。研究小组也转变为多裂纹建模，介绍了如何在模型中实施材料特异性，从而更准确地实验所看到的裂纹扩展行为。所以，采用了一种基于Weibull分布的概率方法来描述局部裂缝阀值的变化。

图 8. 0.572 mm板层（a）和 0.143 mm板层（b）裂缝动力学中潜在裂缝密度的依赖性。

结果表明，FFM模型在描述和控制横向裂缝积累的脆性行为方面表现良好，特别是在引入裂缝特性特异性时，可以更准确地模拟裂缝动力学的差异步骤。相比之下，CZM模型虽然计算效率高，但在模拟薄层板时有明显的局限性，如逐渐损坏和整体软化现象难以准确捕捉。然而，CZM仍然被视为研究复合材料损伤扩展的重要工具，因为它很容易在有限元软件中获得并妥善处理复杂的裂缝路径。

3. 总结

通过对有限断裂力学进行深入对比研究（FFM）以及粘聚区模型（CZM）在模拟层压复合材料横裂扩展过程中的应用，揭示了两种方法的优缺点和适用场景。这项研究不仅为复合材料的损坏模拟提供了更准确的方法论指导，也为后续复合材料的优化设计和安全评估奠定了坚实的基础。

原始文献：

Jean Vereecke, Christophe Bois, Jean-Christophe Wahl, Tanguy Briand, Ludovic Ballère, Florian Lavelle,Explicit modelling of meso-scale damage in laminated composites – Comparison between finite fracture mechanics and cohesive zone model,Composites Science and Technology,Volume 253,2024,110640,

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110640.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353824002100

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