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薄層復合材料憑借其卓越的抗損傷性能和優異的設計靈活性，已成為高性能CFRP（碳纖維增強聚合物）領域的研究焦點。然而，其超薄紗線與復雜多層結構也為數值建模帶來了巨大挑戰。由于缺乏高效、精準的仿真模型，目前該類材料的力學性能評估嚴重依賴耗時耗力的實驗測試，這極大地制約了薄層復合材料的設計與應用。因此，發展一種能夠精確表征薄層預制體及其復合材料細觀結構的力學模型至關重要。此類模型將為薄層CFRP復合材料層合板的性能評估與數字化設計提供關鍵的理論基礎。 近日，《Polymer Composites》期刊發表了一篇由天津工業大學（TGU）紡織復合材料研究院陳利教授團隊完成的研究成果，該成果針對薄層碳纖維增強（Thin-ply CFRP）復合材料層合板的建模方法取得了新進展。開發了一種新型虛擬紗線嵌入（Virtual Tow-Embedded, VTE）仿真策略，成功解決了超薄展寬紗和多層結構帶來的建模難題，并實現了對薄層復合材料拉伸與剪切力學響應的高精度預測。論文標題為“A novel virtual tow-embedded modeling strategy for CFRP composite laminates reinforced with thin-plies”。 構建高保真幾何模型是準確分析CFRP薄層復合材料層合板力學性能的基礎。本研究基于虛擬紗線概念，成功重構了薄層織物內復雜的紗線排列與多層結構。該方法首先采用殼單元建立單根虛擬紗線模型，并依據實際織造方式將其組合為完整薄層織物。通過將薄層織物結構嵌入基體材料的離散網格中，實現了虛擬紗線嵌入（VTE）模型的構造。系統分析了虛擬紗線與基體網格密度對計算精度的影響，并對CFRP薄層復合材料層合板開展了拉伸與剪切力學行為模擬。仿真結果與試驗數據高度一致，拉伸與剪切強度的預測誤差分別僅為3%和6%。該建模策略通過對薄層織物進行紗線級幾何構筑，可直接獲取各鋪層內展寬紗線的應力、應變及損傷演化規律。 以T700平紋展寬布為增強體，TED-86環氧樹脂為基體，制備了CFRP薄層復合材料層合板試樣，為模型驗證提供了可靠的實驗基礎。 圖 1. 平紋展寬布織物建模過程 圖 2. 建模參數對仿真模型破壞形態的影響 建立了單層織物復合材料的VTE模型，重點研究了網格密度對計算結果的影響。通過設置不同網格尺寸，構建了多個單層VTE模型。研究發現，提高網格密度可提升復合材料拉伸性能的預測精度，但計算成本也顯著增加。 VTE方法可用于構建CFRP薄層復合材料層合板的細觀尺度數值模型，通過將虛擬紗線嵌入基體，有效避免了傳統RVE建模方法中繁瑣的幾何分割與網格劃分過程。在該建模策略中，將薄層增強體與基體作為獨立結構分別進行數字化建模。VTE模型主要由兩種單元構成：虛擬紗線單元（S4殼單元）和基體單元（C3D8實體單元）。 為模擬25 mm × 25 mm × 2 mm CFRP薄層復合材料層合板的拉伸響應，建立了包含25層虛擬紗線結構的VTE模型，并嵌入基體材料中。 圖 3.CFRP薄層復合材料層合板VTE模型拉伸破壞過程模擬 研究顯示，不同鋪層間的應力與應變分布差異顯著，這與織物層的交織結構密切相關。隨著拉伸載荷增大，虛擬紗線與基體單元的應力持續上升。一旦滿足失效準則，損傷將在相應殼單元（紗線區域）或實體單元（基體區域）中發生。失去承載能力的單元將被刪除，以模擬材料失效。某一單元失效后，載荷由相鄰單元承擔，損傷區域逐漸擴展。 圖 4.五種典型薄層織物在VTE模型中的應力、應變和損傷分布 針對尺寸為30 mm × 19 mm × 2 mm的CFRP薄層復合材料剪切試樣，建立了VTE模型。在剪切載荷作用下，連續損傷帶逐漸擴展并貫穿試樣。由于紗線強度遠高于基體，虛擬紗線區域的應力顯著大于基體區域。加載完成后，損傷區域內基體單元完全失效，而紗線單元未發生完全破壞。VTE模擬所得的失效形態與剪切試驗結果高度一致。 圖 5. CFRP薄層復合材料層合板VTE模型剪切破壞過程模擬 圖 6. 多層VTE模型的應力-應變曲線及實驗對比 圖 7.VTE模型預測拉伸破壞形貌與實際樣件對比 圖 8.VTE模型預測剪切破壞形貌與實際樣件對比 該計算模型所得的拉伸強度模擬值（998.1 MPa）與實驗值（980.6 MPa）高度吻合，誤差小于3%；此外，模型預測的剪切強度為44.3 MPa，與實驗平均值（42.1 MPa）也吻合良好，最大偏差控制在6%以內，有效驗證了VTE數值模型的可靠性。 本研究提出了一種針對薄層復合材料層合板的新型VTE建模策略，能夠構建單層展寬布織物相互交織的紗線結構。VTE模型可準確預測層合板在拉伸與剪切載荷下的應力、應變分布及損傷演化過程。在拉伸與剪切強度預測中誤差僅為3%和6%，表現出較高的計算精度。該方法為薄層復合材料層合板的性能預測提供了有效工具，未來可進一步應用于復雜結構薄層復合材料的工藝設計和工程應用。 原文鏈接： Jingjing Wang, Li Chen, Lin Yang, Jing Fang, Junbo Xie, Wei Jiao. A Novel Virtual Tow-Embedded Modeling Strategy for CFRP Composite Laminates Reinforced with Thin-Plies,Polymer Composites, 2025; 0:1-12. 原文鏈接： https:///10.1002/pc.70134
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