1.引言随着现代工程领域对轻质高强材料需求的不断增长，碳纤维增强复合材料（CFRP）因其出色的力学性能而备受关注。
然而，在实际应用中，这些材料往往需要经历钻孔、切割等加工过程，从而在结构中引入开孔和纱线间隙等缺陷，这些缺陷对复合材料的力学性能产生显著影响。
因此，深入了解含开孔多向碳纤维织物增强复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为、损伤演化和失效机制，对于指导复合材料结构的设计和制造具有重要意义。
近日，《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》期刊发表了太原理工大学、南京理工大学、南京航空航天大学和太原科技大学在具有纱线间隙的开孔复合材料层压板的拉伸破坏方面的研究。
文章通过实验测试、理论分析和数值模拟等手段，揭示了开孔和纱线间隙对复合材料层合板拉伸性能的影响规律，为复合材料结构的安全设计和优化提供了重要依据。
论文标题为“Tensile failure of open-hole composite laminates with yarn gaps: Experimental and numerical study ”。
2. 研究内容及方法研究团队按照标准制备了含开孔的多向碳纤维织物增强复合材料层合板试样。
这些试样经过精确的尺寸测量和质量检查，以确保其符合实验要求。
在万能试验机上进行了准静态拉伸试验，同时利用数字图像相关技术（DIC）对试样表面的全场应变进行了实时测量。
DIC技术通过捕捉试样表面散斑图案的变形，能够高精度地测量出试样在拉伸过程中的应变分布和演化。
图 1. (a) VARI 热压罐组合成型程序。
(b) 实验固化曲线。
(c) 样品的形状和尺寸。
图 2. 实验设置。
图 3.多向碳纤维织物增强复合材料的分析框架为了更深入地了解复合材料的失效机制，该文章还利用扫描电子显微镜（SEM）对断裂后的试样进行了微观形貌观察。
SEM图像提供了纤维断裂、基体开裂以及纤维-基体界面脱粘等失效模式的直观证据，从而验证了数值模拟中损伤演化模型的准确性。
图 4 0°层损伤演化过程。
图 5 45°层损伤演化过程。
图 6.30°层断裂形貌的SEM图像。
在数值分析方面，研究人员建立了两种有限元模型：宏观等效模型和细观模型。
宏观等效模型将复合材料层合板视为均质材料，通过定义等效的材料属性来模拟其整体力学行为。
这种模型计算效率较高，但无法准确捕捉纱线间隙和开孔等细观结构对力学性能的影响。
图 7. 纱线之间的间隙。
图 8.中尺度有限元模型。
图 9.两种有限元模型及细节。
为了弥补这一不足，研究团队进一步建立了细观模型。
该模型考虑了复合材料层合板内部的纱线结构和开孔形状，通过定义纱线和基体的材料属性以及它们之间的界面条件来模拟复合材料的细观力学行为。
细观模型能够更准确地预测含开孔复合材料层合板的应力分布、应变集中和损伤演化过程。
图 10 Y 方向的应变场分布。
图 11.开孔对应变值分布的影响。
图 12.荷载达到 6 kN 时代表层的应力分布（无损伤）。
图 13.宏观等效模型中 D3.8 和 D10 的应力分布。
实验结果表明，含开孔多向碳纤维织物增强复合材料层合板的拉伸性能主要由0度层承担，其次是30度层和45度层。
开孔区域和纱线方向对应力分布具有显著影响，峰值应力出现在开孔边缘与垂直于纤维方向的直线相交处。
在损伤演化方面，0度层主要表现为纤维断裂、纤维拔出和少量基体开裂；±45度层则以基体开裂为主，同时伴随着纤维断裂；±30度层则出现了基体开裂和纤维断裂的混合模式。
此外，纱线间隙附近也观察到了明显的拉伸失效现象。
数值模拟结果与实验结果吻合良好，验证了所建立有限元模型的有效性。
特别是细观模型，由于考虑了纱线间隙和开孔的耦合效应，其预测精度更高，误差仅为1.5%。
3. 总结该研究通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究了含开孔多向碳纤维织物增强复合材料层合板的拉伸性能、损伤演化和失效机制。
揭示了开孔和纱线间隙对复合材料层合板力学行为的影响规律，为复合材料结构的设计和制造提供了重要指导。
同时，该研究也展示了数字图像相关技术和有限元模拟在复合材料力学性能测试和分析中的强大潜力。
原始文献：Hui Li, Jianguo Liang, Xiaodong Zhao, Zhi Li, Jun Feng, Qi Wu, Chunjiang Zhao, Zhangxin Guo,Tensile failure of open-hole composite laminates with yarn gaps: Experimental and numerical study,Theoretical and Applied Fracture Mechanics,Volume 131,2024,104428,https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2024.104428.原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167844224001770文章
