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工艺与制造英文2025

基于嵌套微观力学的自动铺纤复合材料非线性弹性与损伤预测

Nonlinear Elasticity and Damage Prediction in Automated Fiber Placement Composites via Nested Micromechanics

Hadas Hochster, Gal Raanan, Eyal Tiosano, Yoav Harari, Golan Michaeli, Yonatan Rotbaum, Rami Haj-Ali · School of Mechanical Engineering, Tel Aviv University, Tel Aviv 6997801, Israel
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期刊 / 来源Materials
卷/期/页18 / 14 / 3394
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关键词:自动铺纤复合材料广义单胞法代表体积单元非线性弹性损伤预测制造工艺缺陷微观力学建模纤维束间隙

摘要整理

自动铺纤(AFP)复合材料因制造工艺引入的中观结构变异性(包括树脂富集区和纤维束间隙)而表现出复杂的力学行为,这些特征显著影响局部应力分布和整体材料响应。本研究建立了基于参数化高保真广义单胞法(PHFGMC)的分层嵌套建模框架,用于预测AFP复合材料的有效弹性性能和非线性力学响应。PHFGMC模型通过从AFP复合材料层板显微照片中提取的代表体积单元(RVEs),集成微观和中观尺度分析,以捕捉制造工艺引入的特征。分析了多种具有不同间隙分布的RVE构型,量化了中观结构特征对整体应力-应变响应的影响。线性和非线性弹性行为预测与碳纤维/环氧树脂AFP试样的实验结果进行了验证,与测量响应显示出良好的定量一致性。PHFGMC框架的内聚扩展进一步捕捉了横向拉伸加载下的损伤萌生和裂纹扩展,揭示了与纤维束间隙和树脂富集区相关的失效机制。通过详细的RVE建模系统地考虑制造工艺引入的变异性,嵌套PHFGMC框架能够准确预测整体力学性能和局部行为,为航空航天及其他高性能应用中的AFP复合材料设计优化提供了有力的计算工具。

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