多场耦合固化工艺对碳纤维增强复合材料三点弯曲力学性能的影响

碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料多场耦合固化工艺与力学性能的计算框架

2025年6月13日，《Composite Structures》（IF=6.3）发表西北工业大学航天设计与增材制造国际联合研究中心，西北工业大学陕西省空天结构技术重点实验室最新研究《Effects of multi-field coupled curing process on mechanical performance of CFRP composites under three-point bending》（多场耦合固化工艺对碳纤维增强复合材料（CFRP）三点弯曲力学性能的影响）。

研究亮点

开发了一个用于研究固化残余应力（CRS）对复合材料力学性能影响的综合计算框架。

考虑了诸如热传导、热膨胀、模量、固化收缩以及固化动力学等与固化相关的性能，这些性能会对固化过程产生影响。

分析了固化残余应力（CRS）对复合材料损伤演化、失效模式和变形的影响。

探讨了复合材料铺层效应，包括正交铺层和单向铺层的情况。

CFRP复合材料固化过程及力学测试的实验流程

摘要 - 本文的研究背景是碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其优异的性能广泛应用于航空结构件，但其力学性能受固化过程中产生的固化诱导残余应力（CRS）影响； - 过去的方法忽略了CRS对复合材料损伤演化的影响，导致可靠性设计和性能预测不准确； - 本文提出了一种综合计算框架，通过多场耦合固化过程模型获得CRS，并将其作为初始预应力引入渐进损伤模型，研究其对复合材料力学性能的影响； - 结果表明，CRS显著影响了交叉铺层复合材料的损伤演化、失效模式和变形，验证了该框架的有效性。

方法 - 建立了包括热化学模型和热力学模型在内的多场耦合固化过程模型，考虑了固化依赖的模量、热膨胀和固化收缩等属性；

MRCC条件下复合材料的固化工艺结果。（a）温度、固化度和固化速率，（b）树脂基体的非机械应变。

- 通过有限元软件ABAQUS/Standard进行热化学和热力学模拟，获取温度、固化度和CRS；

固化工艺后复合材料的CRS分布。

- 将CRS作为初始预应力引入渐进损伤模型，采用Hashin准则和Cohesive Zone Model（CZM）描述层内和层间损伤行为；

- 使用DIC和超景深显微镜实验验证了计算结果的准确性，并研究了不同铺层方式（交叉铺层和单向铺层）对复合材料力学性能的影响。

仿真与实验结果对比

结论:

- 该研究揭示了固化诱导残余应力（CRS）对CFRP复合材料在三点弯曲下的损伤演化、失效模式和变形有显著影响；

考虑CRS影响的复合材料载荷-位移结果

- 创新点: 提出了一种综合计算框架，将CRS作为初始预应力引入渐进损伤模型，全面考虑了固化过程对复合材料力学性能的影响；、

CRS对复合材料损伤行为的影响

- 性能: 该框架能够准确预测复合材料的损伤行为，与实验结果吻合良好，平均误差分别为7.6%（CP-1），4.3%（CP-2）和5.8%（UD）；

- 研究涵盖了从固化过程建模到实验验证的完整流程，涉及热化学、热力学和损伤模拟等多个方面

交叉铺层复合材料的损伤行为