在航空航天與海洋工程領(lǐng)域，聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride；PVC）泡沫夾芯復(fù)合材料因其優(yōu)異的比強(qiáng)度和彎曲性能而得到廣泛應(yīng)用。然而，在濕熱環(huán)境中，復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生退化，可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)失效，特別是在存在應(yīng)力集中效應(yīng)的開(kāi)口結(jié)構(gòu)中。目前的研究多集中于濕熱老化對(duì)材料基本性能的影響，而對(duì)于其在極限載荷下如何影響斷裂行為，尤其是裂紋萌生與擴(kuò)展過(guò)程的系統(tǒng)性闡釋仍較為缺乏。這一痛點(diǎn)使得深入探究濕熱環(huán)境對(duì)開(kāi)口復(fù)合材料結(jié)構(gòu)斷裂機(jī)制的影響顯得尤為迫切。
為解決以上問(wèn)題，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Theoretical and Applied Fracture Mechanics 期刊發(fā)表了相關(guān)研究成果。該研究通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)與PD-FEM耦合模擬，揭示了濕熱環(huán)境會(huì)顯著弱化復(fù)合材料層間性能，誘發(fā)早期分層并改變斷裂路徑，從而在保持強(qiáng)度基本不變的同時(shí)降低結(jié)構(gòu)剛度，為惡劣環(huán)境下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)與壽命評(píng)估提供了關(guān)鍵機(jī)理依據(jù)。論文標(biāo)題為”Peridynamic analysis of environmental factors on fracture behavior in conically open-hole sandwich composite structures”。
為克服傳統(tǒng)方法的局限，該研究創(chuàng)新性地采用了近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)與有限元法耦合的數(shù)值模擬方法。研究首先制備了錐形開(kāi)口夾芯復(fù)合材料試樣，并分別在室溫干燥（RTD， 23°C/50% RH）和高溫高濕（ETW， 71°C/85% RH）兩種環(huán)境下進(jìn)行調(diào)理與拉伸實(shí)驗(yàn)，利用CT掃描獲取斷裂形貌。核心在于建立了PD-FEM耦合模型，該模型在裂紋易萌生與擴(kuò)展的關(guān)鍵區(qū)域（如孔邊應(yīng)力集中區(qū)）采用基于非局部理論的近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行離散，而在其他區(qū)域采用計(jì)算效率更高的有限元法，兩者通過(guò)“Morphing”技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫耦合。模型中，復(fù)合材料層合板通過(guò)將鍵分類為層內(nèi)鍵和層間鍵，并引入與纖維方向相關(guān)的微彈性模量函數(shù)來(lái)表征各向異性，從而能夠自然地模擬從損傷累積到裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程。
圖1 PD-FEM模型建立流程
實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果高度吻合，揭示了濕熱環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)性能與斷裂模式的深刻影響。關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比顯示：ETW環(huán)境下試樣的失效位移較RTD環(huán)境增加了30.67%（從3.042 mm增至3.975 mm），結(jié)構(gòu)剛度降低了23.6%，層間剪切模量顯著下降了29.2%（從2.74 GPa降至1.94 GPa）。CT掃描結(jié)果與模擬損傷演化清晰表明，RTD試樣表現(xiàn)為單一的、由0°/90°層主導(dǎo)的線性裂紋擴(kuò)展；而ETW試樣則因?qū)娱g性能退化，早期便誘發(fā)分層損傷，導(dǎo)致裂紋在±45°層中多位置萌生并形成三角形損傷區(qū)，最終斷裂路徑轉(zhuǎn)為由±45°層主導(dǎo)。力-位移曲線對(duì)比與應(yīng)力場(chǎng)分析進(jìn)一步證實(shí)，ETW環(huán)境下層間剪切能力的下降改變了載荷傳遞路徑，使損傷分散，這看似延遲了最終斷裂，但同時(shí)也大幅降低了結(jié)構(gòu)剛度。
圖2 開(kāi)口試樣CT掃描結(jié)果：（a）RTD環(huán)境，（b）ETW環(huán)境
圖3 數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)的力-拉伸邊界位移曲線：（a）RTD環(huán)境，（b）ETW環(huán)境
圖4 1 mm拉伸位移下的面外位移：a) RTD環(huán)境， b) ETW環(huán)境；0°纖維方向（沿拉伸方向）應(yīng)力分布：c) RTD環(huán)境， d) ETW環(huán)境
圖5 RTD環(huán)境下數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斷裂行為對(duì)比。a) 整體斷裂路徑， b) 拉伸過(guò)程中層內(nèi)損傷演化， c) 裂紋萌生部位的輕微分層
圖6 ETW環(huán)境下數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斷裂行為對(duì)比。a) 整體斷裂路徑， b) 拉伸過(guò)程中層內(nèi)與層間損傷演化， c) 裂紋萌生部位的纖維拔出
該研究通過(guò)PD-FEM耦合模型與實(shí)驗(yàn)分析，揭示了濕熱環(huán)境下開(kāi)口夾層復(fù)合材料斷裂行為的演變機(jī)制。研究表明，高溫高濕環(huán)境主要導(dǎo)致層間性能（尤其是剪切模量）顯著退化，進(jìn)而引發(fā)早期分層，改變裂紋擴(kuò)展路徑，最終使結(jié)構(gòu)剛度下降，損傷模式從集中轉(zhuǎn)向分散。該成果明確了層間性能是影響耐久性的關(guān)鍵，為航空航天等領(lǐng)域在濕熱環(huán)境下的復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)，同時(shí)PD-FEM模型也為相關(guān)結(jié)構(gòu)的損傷預(yù)測(cè)與壽命評(píng)估提供了可靠工具。
原始文獻(xiàn)：
Yang, K., Meng, X., Wang, J., Ji, S., Fan, X., & Su, C. (2026). Peridynamic analysis of environmental factors on fracture behavior in conically open-hole sandwich composite structures. *Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 141*, 105333.
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2025.105333
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