[ 摘要 ]　以各類(lèi)織物作為增強(qiáng)體的紡織復(fù)合材料具有復(fù)雜的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，且表現(xiàn)出明顯的多尺度結(jié)構(gòu)特征，通常基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論方法很難對(duì)這類(lèi)復(fù)合材料的強(qiáng)度及其損傷等行為進(jìn)行準(zhǔn)確的定量描述，而以有限元為代表的數(shù)值模擬方法被廣泛地應(yīng)用于預(yù)測(cè)工藝參數(shù)、預(yù)制體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，為紡織復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。對(duì)紡織復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)值模擬方法在近些年取得的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。首先重點(diǎn)介紹了紡織復(fù)合材料最新的幾何模型建模技術(shù)；其次對(duì)紡織復(fù)合材料剛度、強(qiáng)度和損傷演化數(shù)值預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了回顧；然后討論了現(xiàn)有的多尺度分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍；此外，還簡(jiǎn)單介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在紡織復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用；最后對(duì)紡織復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值模擬研究存在的問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

[ 導(dǎo)讀]　紡織復(fù)合材料以其優(yōu)異的比剛度、比強(qiáng)度、層間性能和可設(shè)計(jì)性在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，紡織復(fù)合材料按織造方式劃分為機(jī)織、編織、針織和非織造等，按織物維度劃分為 2D 和 3D。紡織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)具有天然的多尺度特征，常規(guī)的力學(xué)試驗(yàn)和傳統(tǒng)復(fù)合材料力學(xué)理論難以全面準(zhǔn)確地評(píng)估紡織復(fù)合材料的力學(xué)行為。因而近年來(lái)數(shù)值模擬方法被廣泛應(yīng)用于評(píng)估紡織復(fù)合材料的多尺度力學(xué)性能特性，由此加快了新型紡織復(fù)合材料的研發(fā)和推廣應(yīng)用。

圖1 紡織復(fù)合材料分類(lèi)

圖2 紡織復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)特征

紡織復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值分析一般是基于織物結(jié)構(gòu)的周期性細(xì)觀單胞模型，采用周期性邊界條件并結(jié)合相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度準(zhǔn)則和損傷理論來(lái)得到單胞的力學(xué)性能，通過(guò)參數(shù)傳遞的多尺度方法實(shí)現(xiàn)從微觀組分材料性能到宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的表征。目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的紡織復(fù)合材料主要是 2D/2.5D 機(jī)織、3D 機(jī)織、3D 編織等類(lèi)型，文章主要針對(duì)上述幾種紡織復(fù)合材料從幾何建模、力學(xué)分析模型、多尺度力學(xué)分析方法以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的力學(xué)分析方法4 個(gè)方面簡(jiǎn)要地介紹了紡織復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值研究的最新進(jìn)展。

圖3 紡織復(fù)合材料數(shù)值分析流程

1幾何模型

建立能真實(shí)反映復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何模型是分析和預(yù)測(cè)紡織復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)。紡織復(fù)合材料幾何模型經(jīng)歷了從早期的簡(jiǎn)化模型到后期的高精度模型的發(fā)展歷程。建立精確描述材料內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的高保真模型，逐漸成為當(dāng)前復(fù)合材料數(shù)值仿真的一個(gè)重要發(fā)展方向 。紡織復(fù)合材料的幾何模型按不同尺度可分為微觀紗線束模型和細(xì)觀單胞模型。

其中，單元胞體模型（單胞模型）也稱為代表性體積單元（RVE）模型，是反映紡織復(fù)合材料周期性結(jié)構(gòu)的最小體積單元。單胞模型主要由預(yù)制體結(jié)構(gòu)和基體組成，根據(jù)預(yù)制體的形式的不同衍生出了眾多的單胞模型。其幾何建?？煞譃槔硐霂缀文Ｐ?、Micro-CT 重構(gòu)建模、基于工藝過(guò)程的幾何建模技術(shù)。

圖?7?半球面鋪覆工藝過(guò)程仿真

理想模型能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化建模，其建模和力學(xué)分析都比較方便，是目前工程應(yīng)用中主要采用的數(shù)值模型，但是基于理想假設(shè)的模型與材料實(shí)際結(jié)構(gòu)相比存在一定程度的失真，往往會(huì)高估材料的力學(xué)性能。通過(guò) Micro-CT 掃描可以重構(gòu)出與實(shí)際材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎完全一致的模型，但是其建模成本較高，建模效率太低，難以建立大尺寸模型，過(guò)于精細(xì)的模型也不利于力學(xué)性能的數(shù)值分析，因此在力學(xué)分析中應(yīng)用相對(duì)較少。虛擬纖維等基于工藝模擬的建模技術(shù)，雖然可以較好地反映實(shí)際工藝與紡織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，但是難以用于力學(xué)性能的分析，目前還主要是用于紡織工藝的分析和模擬。

2?力學(xué)分析模型

文章主要介紹了彈性性能預(yù)測(cè)模型、強(qiáng)度預(yù)測(cè)和漸進(jìn)損傷模擬、界面本構(gòu)莫西三部分，其中漸進(jìn)損傷模擬介紹了組分材料本構(gòu)模型、強(qiáng)度準(zhǔn)則、基于損傷力學(xué)的性能退化方法。

圖 8 含孔隙缺陷 3D4DB 復(fù)合材料的雙尺度分析算法

3 多尺度力學(xué)性能分析方法

紡織復(fù)合材料的損傷涉及多個(gè)尺度上的演化過(guò)程：（1）損傷萌生于微觀尺度（紗線束內(nèi)部），包括纖維 /基體界面脫黏、束內(nèi)基體開(kāi)裂和纖維失效；（2）在細(xì)觀尺度上（單胞），損傷發(fā)展表現(xiàn)為紗線束開(kāi)裂和紗線束之間基體分層；（3）宏觀尺度上，細(xì)觀損傷的不斷累積最終導(dǎo)致了試樣的整體失效，包括層間開(kāi)裂、裂紋擴(kuò)展和纖維整體斷裂等。紡織復(fù)合材料的損傷累積具有明顯的結(jié)構(gòu)和尺度依賴性，因此，需要采用多尺度分析方法將微觀 – 細(xì)觀 – 宏觀各個(gè)尺度的幾何特征、應(yīng)力 / 應(yīng)變場(chǎng)狀態(tài)和損傷信息聯(lián)系起來(lái)。

多尺度分析方法一般可以分為順序多尺度方法和并行多尺度方法 。常用的順序多尺度方法是自下而上的參數(shù)傳遞方法，即基于纖維、基體和界面性能參數(shù)，計(jì)算微觀尺度紗線束的力學(xué)性能，將均勻化后的結(jié)果傳遞給單胞模型；在細(xì)觀尺度上，計(jì)算單胞的力學(xué)性能，將其作為結(jié)構(gòu)性能參數(shù)傳遞給宏觀尺度模型。并行多尺度方法是針對(duì)不同尺度模型同時(shí)求解，在各個(gè)尺度之間是強(qiáng)耦合，相鄰尺度之間可以互相傳遞有效參數(shù)。由于該計(jì)算過(guò)程需要在兩個(gè)尺度上分別組裝剛度矩陣，計(jì)算量非常巨大。

圖 9 常見(jiàn)的幾種多尺度分析方法

4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的力學(xué)性能 分析方法

紡織復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)及其損傷演化的多尺度特征，使得現(xiàn)有的試驗(yàn)以及多尺度計(jì)算方法很難有效地對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的紡織復(fù)合材料進(jìn)行宏觀失效分析。機(jī)器學(xué)習(xí)在圖像處理、模式識(shí)別和學(xué)習(xí)決策等方面的潛力和優(yōu)勢(shì)，為紡織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表征、性能預(yù)測(cè)和損傷識(shí)別提供了新的研究思路和方法。但機(jī)器學(xué)習(xí)針對(duì)不同的材料結(jié)構(gòu)需要花費(fèi)大量時(shí)間搭建和調(diào)試專門(mén)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也需要試驗(yàn)和數(shù)值仿真提供海量的數(shù)據(jù)樣本。

圖 10 機(jī)器學(xué)習(xí)在紡織復(fù)合材料力學(xué)分析中的應(yīng)用

文章摘自《航空制造技術(shù)》期刊原始文獻(xiàn)：錢(qián)逸星，楊振宇，盧子興. 紡織復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值模擬方法研究進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù), 2022, 65(16): 135-151.
QIAN Yixing, YANG Zhenyu, LU Zixing. Research Progress on Numerical Simulation of Mechanical Properties of Textile Composites[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2022, 65(16): 135-151.原文鏈接：http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2022.16.135?

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