導(dǎo)讀

具有輕量化及優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的零部件一直是航空、航天和國防工業(yè)在設(shè)計、加工和制造階段關(guān)注的焦點(diǎn)。與金屬材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因具有較高的強(qiáng)度重量比和剛度重量比等特性常被用作初級結(jié)構(gòu)。對于組裝結(jié)構(gòu)件和飛機(jī)上輕量化混合結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料的連接，使用的方法為機(jī)械緊固，如鉚釘?shù)?。而涉及到機(jī)械緊固，鉆孔是必不可少的。由于碳纖維復(fù)合材料固有的各向異性和結(jié)構(gòu)的不均勻性，在鉆孔過程中會產(chǎn)生分層、毛刺、纖維拔出、基體熱降解等多種損傷，從而降低了碳纖維復(fù)合材料在疲勞載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。
在以往文獻(xiàn)中，研究者們通過實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬技術(shù)來研究碳纖維復(fù)合材料鉆孔中的損傷機(jī)制，但是，實(shí)驗(yàn)對碳纖維復(fù)合材料變形和損傷擴(kuò)展的研究比較有限。采用常規(guī)數(shù)值分析方法時，鉆孔碳纖維復(fù)合材料（CERPs）的損傷缺陷在多損傷機(jī)制耦合作用下表現(xiàn)為混合破壞模式。有限元軟件中元素的破壞模式主要包括損傷產(chǎn)生、損傷累積、損傷演化、d單元刪除等復(fù)雜過程。在過去，針對不同類型的CERPs，發(fā)展了多種預(yù)測損傷以識別復(fù)雜的損傷機(jī)制，如Tsai-Wu、Hashin、Puck和Chang-Chang?準(zhǔn)則。這些漸進(jìn)損傷理論已被用于預(yù)測復(fù)雜CERPs在鉆孔過程中的損傷行為，比如Isbilir、 Phadnis和Feito。
對于CERPs的鉆孔損傷分析，雖然可以將復(fù)合材料視為均質(zhì)理想化模型來確定損傷模式，但幾乎都采用了宏觀力學(xué)理論，其中一些實(shí)際損傷缺陷無法模擬，如毛刺等。此外，碳纖維復(fù)合材料是一種具有宏-微觀特征的多相材料，而這些理論沒有考慮到由纖維和基體不同力學(xué)性能引起的局部應(yīng)力差異的特征。在鉆孔有限元模型中，需要特別考慮復(fù)合材料層合板在厚度方向上的應(yīng)力和應(yīng)變，這些在宏觀力學(xué)理論是缺乏的。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計算能力和效率。因此，需要從本質(zhì)上從微觀角度探討碳纖維復(fù)合材料的層合損傷機(jī)理和高效的建模方法。
為此，江蘇科技大學(xué)的Yong Liu（第一作者&通訊作者）在《Composite Structures》上發(fā)表了題為“Scale-span modelling of dynamic progressive failure in drilling CFRPs using a tapered drill-reamer”的文章，作者考慮了動態(tài)條件下纖維和基體在不同力學(xué)性能所引起的局部應(yīng)力差異，提出了關(guān)于層間損失的一種基于修正微觀力學(xué)失效準(zhǔn)則的動態(tài)三維跨尺度模型，并引入了新的損傷演化規(guī)律，在Liao的研究基礎(chǔ)上對宏觀損傷變量進(jìn)行了修正，利用ABAQUS-Python獲得了宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力之間的關(guān)系。同時，提出了一種輔助刪除單元準(zhǔn)則，以防止計算過程中的不收斂性；并采用基于斷裂能的混合模式破壞準(zhǔn)則的雙線性內(nèi)聚模型模擬層間分層；最后，從打孔質(zhì)量指標(biāo)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

內(nèi)容簡介

該文提出的跨尺度分析方法是基于CERPs的動態(tài)微觀力學(xué)失效準(zhǔn)則。該方法的核心是建立纖維和基體在動態(tài)加載條件下的損傷-失效本構(gòu)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)纖維和基體的RVE模型。如圖1所示，根據(jù)跨尺度有限元鉆孔示意圖，整個模擬過程主要分為三個步驟。

圖1　跨尺度有限元鉆孔原理圖

在RVE模型上選取多個參考點(diǎn)來計算纖維和基體的微觀應(yīng)力。同時，在三個方向和剪切面分別施加不同法線方向和剪切方向的荷載，可以得到相應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)。本研究選取最危險的點(diǎn)來判斷RVE模型在多軸加載下的單元失效，如圖2所示。

圖2　RVE模型和在纖維和基體成分中的相應(yīng)參考點(diǎn)

如圖3所示，11、22、33、12、23、13分別表示沿X、Y、Z方向的三個單軸拉伸，以及沿Z、X、Y平面的宏觀剪切。

圖3　RVE模型的宏觀應(yīng)力載荷

圖4a給出了損傷前后纖維受拉和壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變行為。另外，該文采用Von Mises屈服準(zhǔn)則對基體的拉、壓破壞準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)測，如圖4 b所示。

圖4　纖維和基體在拉伸和壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變行為

圖5為通過VUMAT實(shí)現(xiàn)的邏輯算法流程圖，跨尺度數(shù)值實(shí)現(xiàn)的過程主要分為三個步驟。

圖5?ABAQUS/ Explicit中對跨尺度模型的VUMAT數(shù)值算法流程圖

圖6為混合模型的牽引-分離關(guān)系圖。

圖6?雙線性內(nèi)聚模型（混合模式）

圖7a給出了開發(fā)的ABAUQS-Python代碼腳本。

圖7?用于計算RVE中SAFs的ABAQUS-Python代碼腳本流程圖根據(jù)文獻(xiàn)中RVE模型的分析結(jié)果，可以將RVE各點(diǎn)的微觀應(yīng)力分布視為SAFs，如圖8和圖9所示。

圖8?纖維參考點(diǎn)中的SAFs

圖9?基體參考點(diǎn)中的SAFs

利用ABAQUS/Explicit軟件建立了相應(yīng)碳纖維復(fù)合材料的鉆孔三維有限元模型。相應(yīng)的鉆孔CERPs跨尺度有限元模型和TDR參數(shù)如圖10所示。

圖10　鉆孔碳纖維復(fù)合材料的跨尺度模型

小結(jié)

本研究探索了一種綜合跨尺度建模方法，利用TDR精確模擬碳纖維復(fù)合材料鉆孔的動態(tài)漸進(jìn)破壞行為?；贏BAQUS/Explicit軟件建立了T700S-12 K/YP-H26碳纖維復(fù)合材料層合板鉆孔數(shù)值模擬方案，利用自定義材料子程序VUMAT分別預(yù)測了層內(nèi)損傷演化和層間分層。通過一系列實(shí)驗(yàn)，從打孔質(zhì)量評價指標(biāo)毛刺、分層因子等方面驗(yàn)證了模型的尺寸跨度。主要結(jié)論如下:

（1）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，所建立的跨尺度鉆孔有限元模型在預(yù)測推力和扭矩時精度較高，最大偏差分別僅為3.43%和7.69%。

（2）轉(zhuǎn)孔的不同類型的損害行為可以得到模擬,如撕裂損傷、毛刺、撕裂等。

（3）最大平均推力和扭矩、毛刺、分層損傷隨著進(jìn)料速度增加突然增加,而隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而逐漸減小。

原始文獻(xiàn)：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? ?編輯校對：阿蔡

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