下面的文章來源于復合材料力學。 ，作者復小七呀

復合材料力學.

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1. 引言

由于其優(yōu)異的機械性能，層壓復合材料已廣泛應(yīng)用于航天工程、汽車制造等領(lǐng)域。但是，這種材料在受到外力作用時，容易產(chǎn)生橫裂，影響結(jié)構(gòu)的綜合性能。當前，雖然實驗方法可以直觀地觀察裂紋擴展過程，但由于實驗條件和費用的限制，不能完全揭示裂紋擴展的微觀機制和動態(tài)行為。所以，準確地模擬和預測裂紋擴展行為對評估材料的安全性和耐久性尤為重要。

最近，世界著名的期刊《Composites Science and Technology》在精細復合材料損傷模擬領(lǐng)域，發(fā)布了法國波爾多大學、藝術(shù)與技術(shù)學院、國家空間研究中心的研究。研究小組對層壓復合材料的裂紋擴展特性進行了實驗觀察，并采用FFM和CZM進行了模擬。研究小組通過比較兩種模型的結(jié)果，探討了能量過剩處理方法和更真實地反映材料脆性行為的模擬方法，為更準確地預測和評估復合材料的損壞行為提供了新的方法和思路。標題為“論文標題”Explicit modelling of meso-scale damage in laminated composites – Comparison between finite fracture mechanics and cohesive zone model ”。

2. 研究方向和方法

研究小組為觀察裂紋的萌生和擴展過程，準備了不同厚度的復合材料層壓板樣品，并進行了拉伸載荷檢測。通過實驗，團隊收集了大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如裂紋擴展路徑、能量釋放率和臨界能量釋放率，為后續(xù)的數(shù)值分析提供了可靠的實驗依據(jù)。

圖 1. 微觀結(jié)構(gòu)觀測臺架測試層壓板在負載作用下。

圖 2. 層壓板開裂動力學

圖 3. 與 [0/90/0] 層壓板與多裂紋模塊的幾何形狀有關(guān)。

圖 4. 0.572 在不同的應(yīng)變水平下，mm厚板的能量準則 (a) 和應(yīng)力準則 (b) 與無量綱裂縫長度的演變相比。

在數(shù)值分析模型的建立上，文章基于FFM和CZM構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)值分析模型。這些模型可以模擬復合材料層壓板在拉伸載荷下的裂紋擴展過程，并考慮材料特異性對裂紋擴展行為的影響。通過引入裂紋特性的分布，模型可以更真實地反映實際的損傷動力學。

圖 5. CZM 經(jīng)典的雙線牽引分離標準在中間使用。

圖 6. 試驗與 FFM 比較

研究人員發(fā)現(xiàn)，在模擬厚層壓板裂紋擴展過程中，存在能量利潤問題，即釋放的能量超過了完全損傷粘聚區(qū)所需的能量。為解決這一問題，比較了粘性正則化和動態(tài)正則化兩種正則化方法。盡管這兩種方法都可以消耗多余的能量，但是它們對裂紋擴展過程的影響是不同的。研究小組也轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗔鸭y建模，介紹了如何在模型中實施材料特異性，從而更準確地實驗所看到的裂紋擴展行為。所以，采用了一種基于Weibull分布的概率方法來描述局部裂縫閥值的變化。

圖 8. 0.572 mm板層（a）和 0.143 mm板層（b）裂縫動力學中潛在裂縫密度的依賴性。

結(jié)果表明，F(xiàn)FM模型在描述和控制橫向裂縫積累的脆性行為方面表現(xiàn)良好，特別是在引入裂縫特性特異性時，可以更準確地模擬裂縫動力學的差異步驟。相比之下，CZM模型雖然計算效率高，但在模擬薄層板時有明顯的局限性，如逐漸損壞和整體軟化現(xiàn)象難以準確捕捉。然而，CZM仍然被視為研究復合材料損傷擴展的重要工具，因為它很容易在有限元軟件中獲得并妥善處理復雜的裂縫路徑。

3. 總結(jié)

通過對有限斷裂力學進行深入對比研究（FFM）以及粘聚區(qū)模型（CZM）在模擬層壓復合材料橫裂擴展過程中的應(yīng)用，揭示了兩種方法的優(yōu)缺點和適用場景。這項研究不僅為復合材料的損壞模擬提供了更準確的方法論指導，也為后續(xù)復合材料的優(yōu)化設(shè)計和安全評估奠定了堅實的基礎(chǔ)。

原始文獻：

Jean Vereecke, Christophe Bois, Jean-Christophe Wahl, Tanguy Briand, Ludovic Ballère, Florian Lavelle,Explicit modelling of meso-scale damage in laminated composites – Comparison between finite fracture mechanics and cohesive zone model,Composites Science and Technology,Volume 253,2024,110640,

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110640.

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353824002100

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標題：“復合材料層板細微損壞的顯式建模-有限斷裂力學VS內(nèi)聚力模型”

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