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復合材料在航空航天和汽車工業中的應用日益廣泛，尤其是編織復合材料因其出色的面外剛度、強度和抗沖擊性能而備受青睞。然而，復合材料在液態復合成型過程中的預制體會經歷復雜的紗線相互作用，如擠壓、錯位和扭轉，導致內部細觀結構高度不均勻，進而嚴重影響其力學性能。這種非均勻性為準確評估復合材料結構的力學行為，尤其是在損傷與破壞過程中，帶來了巨大挑戰。 為解決這一問題，北京理工大學的研究團隊提出了一種考慮成型過程的并發多尺度分析方法，用于精確分析異型復合材料結構的力學行為。該研究通過模擬編織復合材料的預成型過程，系統研究了內部細觀結構的變化，并提出了一種基于特征（如剪切角）的降維方案，將宏觀模型與相應的細觀模型耦合，進一步結合自洽聚類分析方法，實現了高效的多尺度力學行為模擬。該方法通過U形編織復合材料結構的漸進失效分析，揭示了其宏觀與細觀尺度上的破壞機制，為復合材料成型工藝的結構設計與優化提供了有力工具。 該研究首先采用非正交本構模型對編織復合材料的預成型過程進行建模，獲取其在成型過程中的細觀結構變化。以U形結構為例，通過剪切角作為特征參數，利用k-means聚類算法對宏觀積分點進行區域劃分，將具有相似特征的區域耦合到同一細觀模型中，顯著降低了計算復雜度。在細觀尺度上，采用自洽聚類分析（SCA）方法對代表性體積單元（RVE）進行模型降階，通過在離線階段聚類具有相似力學響應的體素單元，在線階段通過求解基于聚類的Lippmann–Schwinger方程，高效獲取材料的非線性力學響應。該方法在Abaqus中通過用戶子程序VUMAT實現并發多尺度計算，有效兼顧了計算精度與效率。 研究結果表明，該多尺度方法在預測具有不同紗線角度的單元力學行為方面與實驗結果高度一致。隨著紗線角度α從60°增大至120°，宏觀單元的模量與強度均呈現非線性下降趨勢，失效應變先增后減，尤其在α > 100°時急劇下降，說明此時材料破壞主要由基體主導，纖維增強效應減弱。通過對比不同剪切角下的應力-應變響應，該方法的預測結果與文獻中的實驗數據吻合良好，驗證了其有效性。在U形結構彎曲試驗中，并發多尺度模擬所得到的載荷-位移曲線與實驗數據基本一致，誤差在5%以內，顯著優于忽略預成型過程的理想RVE模型結果。 該多尺度方法不僅能夠準確捕捉宏觀失效過程，還能揭示細觀尺度的損傷演化機制。以U形結構頂部受壓區域一點A為例，其耦合的細觀RVE在剪切角為38.7°時表現出明顯的纖維方向偏轉，導致其在局部坐標系2方向上增強效應顯著。在彎曲載荷作用下，該區域紗線發生縱向壓縮損傷，伴隨基體塑性與橫向損傷，最終導致宏觀積分點失效。該方法通過跨尺度信息傳遞，實現了從細觀組分屬性到宏觀結構響應的精準預測，為復合材料結構設計與成型工藝優化提供了可靠的仿真工具。 該研究的意義在于提出了一種系統考慮預成型工藝影響的并發多尺度建模框架，有效解決了傳統均勻化方法難以處理高度異質復合材料力學行為的瓶頸問題。通過特征降維與SCA方法的結合，在保證精度的同時大幅提升了計算效率，為復雜異型復合材料結構的虛擬測試與性能優化奠定了基礎。 圖1 編織織物剪切變形示意圖：（a）變形前；（b）變形后 圖2 編織織物性能測試：（a）單軸拉伸試驗；（b）畫框試驗 圖3 形編織織物復合材料結構的制造：（a）實驗裝置；（b）預成型配置 圖4 U形預成型剪切變形結果：（a）本文方法結果；（b）Hwang工作的實驗與仿真結果 圖5 細觀RVE的幾何建模 圖6 異型復合材料結構并發多尺度方案示意圖 圖7 （a）U形編織織物復合材料結構的特征降維；（b）各特征區域對應的細觀RVE 圖8 并發多尺度方案示意圖 圖8 不同剪切角下的單單元仿真 圖9 U形試件彎曲測試：（a）實驗測試；（b）并發多尺度仿真 圖10 U形試件的多尺度失效演化：（a）宏觀損傷演化；（b）彎曲試驗后試件斷裂面圖像；（c）時刻I的細觀場信息；（d）時刻II的細觀場信息 原始文獻： Liu, C., Ge, J., Zhao, S., Zhang, Q., Liu, X., & Liang, J. (2025). Multiscale analysis method for profiled composite structures considering the forming process. *Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 196*, 106014. 原文鏈接： https:///10.1016/j.jmps.2024.106014
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