西北工业大学《Composite Structures》:评价固化残余应力对复合材料损伤行为影响的建模框架

导读

碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料由于其优异的力学性能已成为重要的航空航天结构材料之一。CFRP复合材料在固化成型过程中会受到外界温度以及自身固化反应、性能演变等耦合因素影响，在材料内部产生非均匀残余应力，进而影响复合材料结构的后续服役行为。为了解决这一问题，西北工业大学Hui Xinyu，Xu Yingjie，Zhang Weihong及其团队在《Composite Structures》上发表了一篇题为“An integrated modeling of the curing process and transverse tensile damage of unidirectional CFRP composites”的文章，通过多尺度建模方法研究了固化过程中形成的细观残余应力及其对复合材料加载损伤行为的影响。

内容简介

一、复合材料试件制备

用于研究的复合材料试件由单向T800/AC531预浸料通过热压罐固化成型，图1为成型温度及压力曲线。

图1 T800/AC531复合材料成型温度及压力曲线

二、理论建模

2.1 固化残余应力多尺度建模

图2 固化残余应力多尺度建模框架

为了求解固化过程中复合材料内部残余应力，本研究首先通过试验测定了复合材料的固化反应和传热性能，包括固化相关的导热系数、比热和玻璃化转变温度。在开展复合材料传热分析时，考虑外部温度传递以及内部固化反应放热，完成宏观尺度下三维热-化耦合分析，计算得到复合材料固化过程中的温度和固化度；考虑复合材料内部各组份材料（纤维、界面、基体）的热机械相互作用、以及树脂的固化收缩，将得到的温度、固化度数据引入建立的细观尺度RVE模型，求解热-力耦合下的细观残余应力、应变。

2.2 损伤失效模型

由于单向复合材料的横向损伤行为不受纤维失效的影响，因此主要研究基体和界面的失效。树脂基体在载荷作用下依次表现出弹性、塑性和损伤，使用扩展线性Drucker-Prager定义其屈服行为，采用Ductile韧性准则描述其损伤行为。界面采用零厚度Cohesive单元进行建模，使用双线性本构模型进行表征。

图3 基体本构方程	图4 界面本构方程

2.3 固化过程-损伤失效一体化分析框架

通过复合材料多尺度热-化-力耦合建模分析，得到了固化过程中的细观残余应力，为进一步研究细观残余应力对复合材料力学行为的影响，将残余应力作为初始预定义场引入复合材料的横向加载过程中进行损伤预测，建立了如下所示的固化过程-损伤失效一体化分析框架。

图5 固化过程-损伤失效一体化分析框架

三、仿真结果

图6 固化过程中复合材料中心点温度及固化度变化

图7 复合材料固化残余应力分布

图7 横向拉伸载荷下的应力应变曲线

图8 加载过程中的损伤形貌

小结

该研究采用多尺度方法预测了复合材料固化成型过程中的细观残余应力，并研究了该残余应力对后期服役性能的影响，建立了单向CFRP复合材料的固化过程-损伤失效一体化分析框架。

预测结果与试验结果的一致性验证了所提出方法的有效性，与未考虑固化残余应力影响的计算结果相比，固化残余应力的存在改变了初始损伤位置和损伤扩展路径，与试验结果更加吻合。由于基体中的固化残余应力呈压缩状态，延缓了界面脱粘和基体开裂，因此提高了复合材料在横向拉伸载荷作用下的强度。

原始文献：Hui X, Xu Y, Zhang W. An integrated modeling of the curing process and transverse tensile damage of unidirectional CFRP composites. Composite Structures. 2021 Feb 12; 263: 113681. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113681.

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稿件整理：Lee   编辑校对：复小力

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