碳纖維增強塑料（CFRP）復合材料多場耦合固化工藝與力學性能的計算框架

2025年6月13日，《Composite Structures》（IF=6.3）發表西北工業大學航天設計與增材制造國際聯合研究中心，西北工業大學陜西省空天結構技術重點實驗室最新研究《Effects of multi-field coupled curing process on mechanical performance of CFRP composites under three-point bending》（多場耦合固化工藝對碳纖維增強復合材料（CFRP）三點彎曲力學性能的影響）。

研究亮點

開發了一個用于研究固化殘余應力（CRS）對復合材料力學性能影響的綜合計算框架。

考慮了諸如熱傳導、熱膨脹、模量、固化收縮以及固化動力學等與固化相關的性能，這些性能會對固化過程產生影響。

分析了固化殘余應力（CRS）對復合材料損傷演化、失效模式和變形的影響。

探討了復合材料鋪層效應，包括正交鋪層和單向鋪層的情況。

CFRP復合材料固化過程及力學測試的實驗流程

摘要 - 本文的研究背景是碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料因其優異的性能廣泛應用于航空結構件，但其力學性能受固化過程中產生的固化誘導殘余應力（CRS）影響； - 過去的方法忽略了CRS對復合材料損傷演化的影響，導致可靠性設計和性能預測不準確； - 本文提出了一種綜合計算框架，通過多場耦合固化過程模型獲得CRS，并將其作為初始預應力引入漸進損傷模型，研究其對復合材料力學性能的影響； - 結果表明，CRS顯著影響了交叉鋪層復合材料的損傷演化、失效模式和變形，驗證了該框架的有效性。

方法 - 建立了包括熱化學模型和熱力學模型在內的多場耦合固化過程模型，考慮了固化依賴的模量、熱膨脹和固化收縮等屬性；

MRCC條件下復合材料的固化工藝結果。（a）溫度、固化度和固化速率，（b）樹脂基體的非機械應變。

- 通過有限元軟件ABAQUS/Standard進行熱化學和熱力學模擬，獲取溫度、固化度和CRS；

固化工藝后復合材料的CRS分布。

- 將CRS作為初始預應力引入漸進損傷模型，采用Hashin準則和Cohesive Zone Model（CZM）描述層內和層間損傷行為；

- 使用DIC和超景深顯微鏡實驗驗證了計算結果的準確性，并研究了不同鋪層方式（交叉鋪層和單向鋪層）對復合材料力學性能的影響。

仿真與實驗結果對比

結論:

- 該研究揭示了固化誘導殘余應力（CRS）對CFRP復合材料在三點彎曲下的損傷演化、失效模式和變形有顯著影響；

考慮CRS影響的復合材料載荷-位移結果

- 創新點: 提出了一種綜合計算框架，將CRS作為初始預應力引入漸進損傷模型，全面考慮了固化過程對復合材料力學性能的影響；、

CRS對復合材料損傷行為的影響

- 性能: 該框架能夠準確預測復合材料的損傷行為，與實驗結果吻合良好，平均誤差分別為7.6%（CP-1），4.3%（CP-2）和5.8%（UD）；

- 研究涵蓋了從固化過程建模到實驗驗證的完整流程，涉及熱化學、熱力學和損傷模擬等多個方面

交叉鋪層復合材料的損傷行為