通过准三维扩展有限元方法模拟CFRP层压板损伤

　　碳纤维增强塑料（CFRP）是一种轻质且坚固耐用的材料，在航空航天和运输领域具有潜在的应用前景。然而，在设计阶段需要进行的实验耗时又费钱。在最近的一项研究中，研究人员开发了一种准三维扩展有限元方法，这是一种新的计算效率高的方法来模拟CFRP 层合板的损伤传播。他们的方法有助于推进CFRP 层压板的进一步应用。

　　设计CFRP层压板

　　具有优秀力学性能的结构材料在许多领域都有应用。提高结构材料性能的可靠方法是在不影响其强度的情况下使其更轻。碳纤维增强塑料（CFRP）就是最为突出的应用案例。CFRP 层压板由碳（纤维）和环氧树脂（基体）组成。根据纤维的方向可分为具有一个、两个或三个方向加固行为的层压板。

　　由于其重量轻，耐用性高，机械性能优异，CFRP 层压板被纳入最先进的航空航天应用，运输和建筑。然而，设计CFRP 层压板可能是一项非常耗时的工作。每当工程师调整给定设计时，都必须进行多次强度测试来对CFRP 样本进行基准测试。这增加了最终产品的成本并阻碍了CFRP 在更广泛领域的应用。

　　在这种背景下，日本上智大学研究生院（Graduate School of SophiaUniversity）的Chenyu Wang 博士和教授Toshio Nagashima 开发了一种新的方法来对CFRP 层压板中的损伤传播进行数值模拟。

　　基于扩展有限元法的损伤模拟方法

　　研究人员的方法是基于扩展有限元法（XFEM）的准3D版本。在有限元法中，结构或材料被分为称为单元的小子区域，然后求解每个单元的物理方程，以确定系统的整体响应。本研究中使用的“扩展”版本添加了捕获不连续性周围局部效应的功能，从而能够更准确地对裂纹扩展形式的损伤传播进行建模。

　　值得注意的是，由于CFRP 层压板由堆叠的材料层制成，因此将其建模为平面（二维或2D）将无法捕获分层等异常现象。相比之下，三维（3D）FEM 模拟计算量大且设置复杂。为了克服这些问题，研究人员采取了一种平衡的方法。他们首先将所需的CFRP 层压板建模为由四边形有限元组成的二维结构，并标记了可能出现裂纹的位置。然后，他们在厚度方向上投影该结构，同时通过他们的模拟系统自动生成用于模拟分层和基体裂纹的模型。该方法使计算易于管理，并且可以更轻松、更高效地模拟CFRP 损伤的建模。

　　为了验证其方法的有效性，研究人员对CFRP 层压板进行了三种不同强度和损伤传播测试的模拟，并将其结果与其他研究报告的实验数据进行了比较。第一个是开孔拉伸测试，将中间有圆孔的CFRP 层压板从一端拉出，另一端固定。第二个是准静态压痕（QSI）测试，将坚硬的半球缓慢而稳定地压在CFRP 层压板上。最后，第三个测试是冲击后压缩测试，其中QSI 测试中损坏的样本受到压缩力，以评估其完整性和损坏容限。

　　总体而言，所提出的仿真方法的结果与实验数据非常吻合，优于现有的基于准3D XFEM 的技术。Wang 博士对这种新方法的潜力充满信心，他表示：“如果这项研究的结果能够在相关领域得到利用，CFRP 等复合材料的应用将变得更加广泛和高效。”

　　碳纤维增强塑料的广泛采用也可能产生重要的生态影响。“未来，如果能够通过数值模拟更有效、更准确地预测复合材料的损伤，其成本将会降低。如果这些轻质高强材料进一步应用于交通领域，将对节能环保产生积极影响。”他补充道。

　　如果商用飞机能够通过采用碳纤维复合材料来降低燃油消耗和设计时间，那么飞行成本可能会显著降低。