具有轻量化及优异机械强度的零部件一直是航空、航天和国防工业在设计、加工和制造阶段关注的焦点
。与金属材料相比，碳纤维增强复合材料因具有较高的强度重量比和刚度重量比等特性常被用作初级结构。对于组装结构件和飞机上轻量化混合结构的碳纤维复合材料的连接，使用的方法为机械紧固，如铆钉等。而涉及到机械紧固，钻孔是必不可少的。
由于碳纤维复合材料固有的各向异性和结构的不均匀性，在钻孔过程中会产生分层、毛刺、纤维拔出、基体热降解等多种损伤，从而降低了碳纤维复合材料在疲劳载荷作用下的结构强度和使用寿命。
在以往文献中，研究者们通过实验、理论分析和数值模拟技术来研究碳纤维复合材料钻孔中的损伤机制，但是，
实验对碳纤维复合材料变形和损伤扩展的研究比较有限
。采用常规数值分析方法时，钻孔碳纤维复合材料（CERPs）的损伤缺陷在多损伤机制耦合作用下表现为混合破坏模式。有限元软件中元素的破坏模式主要包括损伤产生、损伤累积、损伤演化、d单元删除等复杂过程。在过去，针对不同类型的CERPs，发展了多种预测损伤以识别复杂的损伤机制，如Tsai-Wu、Hashin、Puck和
Chang-Chang
准则。这些渐进损伤理论已被用于预测复杂CERPs在钻孔过程中的损伤行为，比如Isbilir、 Phadnis和Feito。
对于CERPs的钻孔损伤分析，虽然可以将复合材料视为均质理想化模型来确定损伤模式，但
几乎都采用了宏观力学理论
，其中一些实际损伤缺陷无法模拟，如毛刺等。此外，碳纤维复合材料是一种具有宏-微观特征的多相材料，而
这些理论没有考虑到由纤维和基体不同力学性能引起的局部应力差异的特征
。在钻孔有限元模型中，
需要特别考虑复合材料层合板在厚度方向上的应力和应变，这些在宏观力学理论是缺乏的
。如果采用CERPs有限元模型的微尺度建模方法，就需要高性能的工作站以提供高的计算能力和效率。因此，
需要从本质上从微观角度探讨碳纤维复合材料的层合损伤机理和高效的建模方法。
为此，
江苏科技大学
的
Yong Liu
（第一作者&通讯作者）在《
Composite Structures
》上发表了题为“
Scale-span modelling of dynamic progressive failure in drilling CFRPs using a tapered drill-reamer”的文章，作者考虑了动态条件下纤维和基体在不同力学性能所引起的局部应力差异，
提出了关于层间损失的一种基于修正微观力学失效准则的动态三维跨尺度模型，并引入了新的损伤演化规律
，在Liao的研究基础上对宏观损伤变量进行了修正，利用ABAQUS
-Python获得了宏观应力与微观应力之间的关系。同时，提出了一种辅助删除单元准则，以防止计算过程中的不收敛性；并采用基于断裂能的混合模式破坏准则的双线性内聚模型模拟层间分层；最后，从打孔质量指标对模型进行了验证。
该文提出的跨尺度分析方法是基于CERPs的动态微观力学失效准则。该方法的核心是建立纤维和基体在动态加载条件下的损伤-失效本构关系，实现纤维和基体的RVE模型。如图1所示，根据跨尺度有限元钻孔示意图，整个模拟过程主要分为三个步骤。
图1 跨尺度有限元钻孔原理图
在RVE模型上选取多个参考点来计算纤维和基体的微观应力。同时，在三个方向和剪切面分别施加不同法线方向和剪切方向的荷载，可以得到相应的应力响应。本研究选取最危险的点来判断RVE模型在多轴加载下的单元失效，如图2所示。
图2 RVE模型和在纤维和基体成分中的相应参考点
如图3所示，11、22、33、12、23、13分别表示沿X、Y、Z方向的三个单轴拉伸，以及沿Z、X、Y平面的宏观剪切。
图3 RVE模型的宏观应力载荷
图4a给出了损伤前后纤维受拉和压缩的应力-应变行为。另外，该文采用Von Mises屈服准则对基体的拉、压破坏准则进行预测，如图4 b所示。
图4 纤维和基体在拉伸和压缩下的应力-应变行为
图5为通过VUMAT实现的逻辑算法流程图，跨尺度数值实现的过程主要分为三个步骤。
图5 ABAQUS/ Explicit中对跨尺度模型的VUMAT数值算法流程图
图6为混合模型的牵引-分离关系图。
图6 双线性内聚模型（混合模式）
图7a给出了开发的ABAUQS-Python代码脚本。
根据文献中RVE模型的分析结果，可以将RVE各点的微观应力分布视为SAFs，如图8和图9所示。
图8 纤维参考点中的SAFs
图9 基体参考点中的SAFs
利用ABAQUS/Explicit软件建立了相应碳纤维复合材料的钻孔三维有限元模型。相应的钻孔CERPs跨尺度有限元模型和TDR参数如图10所示。
本研究探索了一种综合跨尺度建模方法，利用TDR精确模拟碳纤维复合材料钻孔的动态渐进破坏行为。基于ABAQUS/Explicit软件建立了T700S-12 K/YP-H26碳纤维复合材料层合板钻孔数值模拟方案，利用自定义材料子程序VUMAT分别预测了层内损伤演化和层间分层。通过一系列实验，从打孔质量评价指标毛刺、分层因子等方面验证了模型的尺寸跨度。主要结论如下:
（1）与实验结果相比，所建立的跨尺度钻孔有限元模型在预测推力和扭矩时精度较高，最大偏差分别仅为3.43%和7.69%。
（2）转孔的不同类型的损害行为可以得到模拟,如撕裂损伤、毛刺、撕裂等。
（3）最大平均推力和扭矩、毛刺、分层损伤随着进料速度增加突然增加,而随着主轴转速的增加而逐渐减小。
原始文献：Liu Y, Li Q, Qi Z, Chen W. Scale-span modelling of dynamic progressive failure in drilling CFRPs using a tapered drill-reamer[J]. Composite Structures, 2021, 278:114710.
稿件整理：Sophia 编辑校对：阿蔡
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