专注于复合材料力学领域的知识创作与分享，第一时间更新复合材料方向前沿资讯、技术方法、仿真案例、代码插件，助力复合材料行业的发展及读者专业技能的提升，深受学生及青年科技工作者喜爱。“强化基础，聚焦前沿”，复合材料力学公众平台期待您的关注！

　　由于编织复合材料空间中多轴纤维取向变化，即使在承受单轴载荷时，其局部应力状态也是多轴的。这种多轴力学响应特征是导致编织复合材料呈现各向异性的主要原因。因此，编织复合材料在外部载荷作用下的破坏行为是典型的多轴耦合失效问题。然而，由于编织结构的复杂性，准确预测编织复合材料在偏轴载荷下的行为仍然具有挑战性。在偏轴载荷作用下，非轴向载荷的引入使局部应力状态更加复杂；同时，主承载纤维束与载荷之间的夹角会引发剪切应力，导致材料的刚度和强度低于轴向载荷工况下的表现。单轴测试性能可能过高估计了编织复合材料的实际性能，因此需要对其偏轴力学响应和失效机理进行系统研究。目前，基于细观有限元方法的编织复合材料偏轴失效行为预测仍然存在局限性，进一步研究这一领域具有重要的工程意义。

　　该研究首先对不同偏轴拉伸角度的2DTBC进行了细观有限元建模，主要包括以下五个步骤：1）将代表复合材料的代表体积单元（RVE）拼接成平板，并旋转至所需的偏轴角度，生成与试验试样大小相匹配的矩形区域；2）在矩形区域与网格单元的交点处添加结点；3）删除矩形边界外的网格单元；4）使用切割工具对边界处的网格单元进行修整；5）通过平移网格结点，获得规则的边界。这种建模方法能够生成任意偏轴角度的模型，其结果总结于图1，为分析复杂载荷条件提供了可靠的手段。

　　该文利用建立的细观有限元模型对0°、30°、45°、60°和90°五种偏轴角度下的拉伸工况进行了模拟预测，并与实验结果进行了对比，结果显示出较好的一致性。此外，通过预测试样的应变场与实验结果的对比，进一步验证了细观模型的准确性。

　　图2. 同角度拉伸载荷下的数值预测与实验结果比较：(a) 应力-应变响应；(b) 最终失效前的横向应变

　　该研究通过与实验结果的对比，利用验证后的细观有限元模型明确了2DTBC在偏轴载荷下的失效机理。对于偏轴角度为30°和45°的工况，由于自由边界效应，边界处的偏轴纤维束出现剪切应力集中，最先发生裂纹起始，随后裂纹沿着偏轴纤维束方向扩展，最终在轴向纤维束处终止，形成了典型的拉剪耦合失效机制。而在偏轴角度为60°的加载条件下，由于加载方向与偏轴纤维束的方向平行，其最终的失效模型表现为承载的偏轴纤维束灾难性失效。

　　图3. 直边模型在不同偏轴拉伸载荷下预测的失效形态与试验损伤形貌对比：(a) 30°；(b) 45°；(c) 60°

　　为了更深入地探究2DTBC的偏轴失效机制，该研究对不同拉伸角度下失效前的面外变形场进行了详细分析。在轴向拉伸载荷（0°）条件下，未观察到明显的面外变形，结构的失效主要由承载轴向纤维束的断裂引发。然而，在30°拉伸载荷条件下，轴向纤维束相对于载荷方向的倾斜导致试样局部发生面外翘曲，从而引发拉伸-剪切耦合变形。对于45°拉伸载荷，控制面外变形的机制与30°载荷下的情况相似，纤维束沿轴向方向发生周期性面外翘曲，最终导致样品的拉伸-剪切耦合失效。在60°拉伸载荷下，沿着轴向纤维束方向出现周期性翘曲。而在横向拉伸载荷（90°）条件下，样品自由边缘的正向和负向偏置纤维束中均出现了周期性面外翘曲。

　　图4. 自由边缘翘曲对不同角度试样材料性能的影响：（a）0°直边模型；（b）30°直边模型；（c）45°直边模型；（d）60°直边模型；（e）90°直边模型

　　为了进一步探究2DTBC的面外变形机制，该研究建立了30°和60°偏轴模型的RVE模型，并通过对偏轴30°、60°和90°的模型施加周期性边界条件，模拟无限大板的情形，以探讨不同偏轴角度下2DTBC的内在面外变形机制。在30°和60°模型中，整个横截面均出现了显著的面外变形，这主要是由于轴向纤维束受到周围偏置纤维束的压缩作用所致。相比之下，90°模型表现出独特的变形特征，其面外变形主要集中在纤维交织的区域。这一现象的形成是由于正60°和负60°的偏轴纤维束均匀地对轴向纤维束施加压力和压缩作用，形成了一种稳固的自锁机制，从而限制了面外变形的范围。

　　图5. 30°、60°和90°模型的面外变形机制数值分析：（a）代表性体积单元（RVE）模型；（b）面内无限尺寸模型的面外变形；（c）有限尺寸模型的面外变形。

　　这项研究开发了一个完整尺度的中尺度有限元模型，用于研究0°/±60°2DTBC的偏轴拉伸失效机制。该模型在预测2DTBC在不同加载角度下的偏轴行为方面表现出了高度的准确性。通过将数值模拟与实验数据相结合，该研究明确了不同加载角度下的力学响应及其失效机制。2DTBC的独特结构使得偏轴纤维束围绕轴向纤维束布置，这种结构特征导致在加载过程中，偏轴纤维束由于波动效应挤压轴向纤维束，从而引发了特定的面外变形和失效机制。

　　原标题：《【复材资讯】西工大张超教授团队：细观有限元模拟方法揭示二维三轴编织复合材料在偏轴拉伸载荷下的失效机制》

　　本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。pg电子平台