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盡管錐形層壓板中的可變層壓板丟層策略為復(fù)合材料部件提供了設(shè)計(jì)靈活性，但鋪層截止引起的不連續(xù)性和應(yīng)力集中給結(jié)構(gòu)可靠性帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。為此，本文對(duì)錐形復(fù)合層壓板的失效機(jī)制進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。采用間斷拉伸試驗(yàn)來(lái)分析這些層壓板的漸進(jìn)損傷過(guò)程，同時(shí)考慮了錐度比和層厚度的影響。使用光學(xué)顯微鏡、X 射線照相術(shù)和 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描等方法進(jìn)行全面的失效檢查。同時(shí)，在有限元方法的框架內(nèi)開(kāi)發(fā)了一個(gè)通用失效模型。該模式可以預(yù)測(cè)層壓板試樣中的失效載荷和損傷模式，從而可以與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。數(shù)值建模與實(shí)驗(yàn)參考之間建立了很強(qiáng)的相關(guān)性，闡明了失效行為與層厚度和錐度比的相互依賴性。對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)組成，結(jié)果表明，使用薄層和小錐度可增強(qiáng)具有丟層的層壓結(jié)構(gòu)的抗損傷能力。

一、引言

復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，在航空航天和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。斜削層合板作為一種重要的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制層合板厚度的變化，可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。然而，層合板層截止處的材料不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而引發(fā)基體裂紋和層間分層等失效模式，威脅結(jié)構(gòu)安全。目前，斜削層合板的設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)法則，缺乏統(tǒng)一的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)研究揭示了斜削比、層厚等因素對(duì)失效模式的影響，但難以全面考察設(shè)計(jì)變量。數(shù)值方法可以預(yù)測(cè)失效載荷和損傷模式，但現(xiàn)有的分析方法難以處理復(fù)雜的失效機(jī)理，例如層內(nèi)裂紋和分層的相互作用。

近日，國(guó)際知名期刊《Composites Science and Technology》發(fā)表了一篇由東京大學(xué)航空航天系的研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)斜削層合板失效機(jī)理的研究成果。該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入分析了斜削層合板的失效機(jī)理，并考察了層厚和斜削比對(duì)失效模式和承載能力的影響。論文標(biāo)題為“Experimental and numerical study on failure mechanisms of tapered laminates: Effects of ply thickness and taper ratio”。

二、研究?jī)?nèi)容及方法

1.實(shí)驗(yàn)

研究通過(guò)進(jìn)行拉伸失效測(cè)試來(lái)分析具有不同鋪層厚度和錐度比的變厚鋪層復(fù)合材料的加載響應(yīng)和分層強(qiáng)度。在這些測(cè)試中，對(duì)復(fù)合材料板施加準(zhǔn)靜態(tài)的單軸拉伸變形，直至由于層間分層的擴(kuò)展導(dǎo)致顯著的載荷下降。層間分層作為具有鋪層終止的層壓板的主要失效模式之一，可能會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)剛度和剩余強(qiáng)度。因此，記錄了表征整體承載能力峰值力以進(jìn)行比較。

結(jié)果表明，薄層和淺斜削層合板表現(xiàn)出更高的承載能力和分層強(qiáng)度。此外，隨著載荷的增加，層內(nèi)裂紋和分層逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。這些研究結(jié)果為斜削層合板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)。

圖 1  具有外部層壓板脫落的錐形層壓板：不同的錐形比和層壓板厚度（尺寸以毫米為單位）。左側(cè)和右側(cè)錐形均采用相同的堆疊順序和層壓板脫落策略。

通過(guò)中斷實(shí)驗(yàn)來(lái)研究變厚鋪層復(fù)合材料的損傷逐步演化。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了逐級(jí)加載的拉伸試驗(yàn)，并結(jié)合多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如顯微鏡觀察、X射線投影和X射線斷層掃描，對(duì)試樣的損傷過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)和分析。

研究發(fā)現(xiàn)，損傷通常在達(dá)到峰值載荷的90%時(shí)開(kāi)始，起始點(diǎn)位于核心層和變厚層的交界處。隨著載荷的增加，基體裂紋和分層逐漸擴(kuò)展，直至發(fā)生快速的分層擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，薄鋪層和較小的錐度比有助于提高材料的抗損傷能力，減少分層面積，并在達(dá)到臨界分層斷裂前抑制損傷的發(fā)展。

圖 2 錐形層壓板在初始階段的失效分析（90% 失效載荷，錐度比 = 1:5，層厚度 = 0.2 毫米）：（a）整體失效輪廓的投影射線照相術(shù)（頂視圖）；（b）微觀側(cè)面檢查（側(cè)視圖）；（c）3D X 射線 CT 用于中間平面 a和相鄰界面 b、c的損傷模式的剖面頂視圖。

研究總結(jié)了通過(guò)中斷測(cè)試觀察到的變厚鋪層復(fù)合材料的漸進(jìn)損傷現(xiàn)象。測(cè)試結(jié)果表明，使用較薄的鋪層和較小的錐度可以獲得更高的強(qiáng)度。然而，當(dāng)使用較厚的鋪層時(shí)，這種增強(qiáng)效果會(huì)降低。

此外，具有較小錐度的層壓板通常會(huì)導(dǎo)致較大的載荷下降和較大的分層面積，而較厚的鋪層則會(huì)導(dǎo)致較小的分層面積。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，薄鋪層的使用在相同錐度比的層壓板中有助于提高失效載荷，并減少分層區(qū)域的范圍，從而增強(qiáng)了層壓板的損傷抗力并抑制了分層的擴(kuò)展。

2.數(shù)值模擬

研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于內(nèi)聚力的通用失效模型（generic failure model；GFM），用于高保真地表示復(fù)合材料層壓板中的基體裂紋、層間分層及其相互作用。該模型利用層間建模方案來(lái)考慮層壓板的堆疊效應(yīng)，并在層間界面處部署了粘合單元（cohesive elements；CEs）來(lái)模擬潛在的層間分層。

此外，該模型采用了雙線性牽引-分離定律來(lái)表征內(nèi)聚元素的行為，允許預(yù)測(cè)離散裂紋的起始和擴(kuò)展，同時(shí)考慮了涉及張開(kāi)（模式I）、錯(cuò)開(kāi)（模式II）、撕開(kāi)（模式III）及其組合的混合模式斷裂。

圖 3 復(fù)合材料層壓板漸進(jìn)損傷分析的通用失效模型。

根據(jù)力學(xué)測(cè)試中的相同條件，在Abaqus有限元軟件包中實(shí)現(xiàn)了GFM，以分析變厚復(fù)合材料層壓板的漸進(jìn)失效行為。模擬涵蓋了三種錐度比和三種鋪層厚度的九種不同情況，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

為了提高數(shù)值效率，模型中僅在包含鋪層截止的臨界區(qū)域內(nèi)允許基體裂紋和分層的發(fā)生。模型假設(shè)了均勻的厚度（0.4 毫米），并且在整個(gè)模型中采用了相同的網(wǎng)格劃分策略。此外，還考慮了非線性幾何形狀來(lái)模擬錐形層壓板在縱向拉伸下的彎曲變形。

圖 4 分割和約束表示基質(zhì)開(kāi)裂和分層之間的相互作用。

通過(guò)有限元模擬，使用所開(kāi)發(fā)的GFM對(duì)變厚復(fù)合材料層壓板的失效行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密吻合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。GFM 模擬表明，使用較薄的鋪層和較小的錐度比可以緩解鋪層終止引起的應(yīng)力集中，從而提高層壓板的分層阻力。

模擬還揭示了基體裂紋和層間分層在不同鋪層厚度和錐度比的層壓板中的發(fā)展模式，以及這些因素如何影響失效模式和分層強(qiáng)度。此外，還討論了非線性幾何效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，強(qiáng)調(diào)了在模擬中考慮非線性變形的重要性。

圖5  錐形層壓板的通用故障模型 (GFM)：配置和設(shè)置。

研究總結(jié)了使用GFM進(jìn)行的有限元分析結(jié)果，確認(rèn)了該模型能夠可靠地揭示變厚復(fù)合材料層壓板中的失效機(jī)制。數(shù)值分析表明，使用較薄的鋪層和較小的錐度比可以緩解鋪層終止引起的應(yīng)力集中，從而提高層壓板的分層阻力。此外，GFM 還揭示了不同鋪層厚度和錐度比的層壓板之間存在的不同失效模式。模擬還展示了在臨界分層斷裂時(shí)，薄鋪層有助于抑制分層擴(kuò)展，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型在預(yù)測(cè)復(fù)合材料層壓板失效行為方面的有效性。

圖 6 錐形層壓板（錐度比 = 1:20，厚度 = 0.2 毫米）的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)失效模式比較。

三、小結(jié)

該研究表明，斜削層合板的失效主要表現(xiàn)為層內(nèi)裂紋和分層的耦合機(jī)制。薄層和淺斜削層合板具有更高的分層強(qiáng)度和損傷抑制能力。該研究結(jié)果為斜削層合板的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)，有助于提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

原始文獻(xiàn)：

Lu, X., Higuchi, R., Hua, X., Nagashima, T., & Yokozeki, T. (2024). Experimental and numerical study on failure mechanisms of tapered laminates: Effects of ply thickness and taper ratio. Composites Science and Technology, 256, 110784. 

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110784