導讀

增材制造(AM)技術中的材料擠壓法，又稱熔融沉積 (FDM)或熔融絲建模，會使纖維與樹脂結合效果不良，導致結構性能不理想，如沖擊中容易發(fā)生的分層損傷，對復合材料整體力學性能的準確預測帶來了挑戰(zhàn)。因此，為了能夠實現(xiàn)可設計的性能，評估FDM制造結構的力學行為是至關重要的。本文通過表面處理與超聲波技術克服了3D打印中連續(xù)FRP所存在的固有缺陷，使用3D Hashin失效準則來描述和預測結構在沖擊下的漸進損傷行為。

通?；谶B續(xù)損傷力學CDM建立漸進失效模型，評價連續(xù)FRP等非增材制造的復合材料結構性能。然而，增材制造的復合材料漸進損傷失效問題通常比較復雜，因為失效模式以及非線性退化需要與復合材料原絲堆棧的打印特性和連續(xù)FRP性能相一致。同時，如果由于打印導致連續(xù)FRP中存在可見的缺陷，則結構在沖擊下的變形和破壞模式進行表征和預測將更具挑戰(zhàn)性。因此，改進AM工藝以消除纖維-樹脂結合缺陷，建立基于物理模型來預測復合材料漸進損傷失效過程是必要的。

為了解決增材制造復合材料中層間附著力低、難以對結構在沖擊下的變形和破壞模式進行表征和預測的問題。哈爾濱工業(yè)大學的Yan Zhang， Jing Qiao， Guangyu Zhang， Yingrui Li， Longqiu Li在《Composite Structurses》上發(fā)表了題為《Prediction of deformation and failure behavior of continuous fiber reinforced composite fabricated by additive manufacturing》的論文，通過表面處理與超聲波技術克服了3D打印中連續(xù)FRP所存在的固有缺陷， 并通過3D Hashin失效準則來描述和預測結構在沖擊下的漸進損傷行為，進而對復合材料結構在沖擊載荷作用下的變形和破壞模式進行表征和預測。

內容簡介

圖1.(a)CFRP增材制造工藝:(b)表面改性;(c)超聲波處理;(d)揮發(fā)和壓實;(e) FDM打印

本文采用FDM法對連續(xù)FRP材料進行預處理實驗制備。連續(xù)碳纖維布的制造過程如圖1所示。隨后對復合材料的性能和形貌進行了分析。根據(jù)打印的復合材料特性，提出了一種改進的復合材料漸進損傷模型，該模型同時包含層內和層間損傷，以描述復合材料在不同方向上的性能差異。建立了相應的有限元仿真模型，并對其進行了驗證。然后，對打印碳纖維復合材料的變形破壞進行了研究，分析變形機理，并對其失效行為進行了預測。最后，對波紋板夾層結構進行了結構參數(shù)優(yōu)化。

為了獲得CFRP的力學參數(shù)，研究制造工藝改進對CFRP性能的影響，進行了力學性能試驗。通過拉伸試驗(GB/T1447-2005)、壓縮試驗(ASTM-D6641)和面內剪切試驗(ASTM-D3518)測量各方向的模量和強度。在測量中發(fā)現(xiàn)，由于層間強度小于層內強度，往往在第3方向（厚度方向）提前發(fā)生層間破壞，無法測量層內模量和第3個方向的強度。為了簡化，這個方向的層內性能近似于第2個方向的強度。纖維方向和基體方向的斷裂能量耗散依據(jù)原文參考文獻[1]中提到的方法進行確定。基于層間剪切試驗(JC/T 773-2010)和雙懸臂梁試驗(DCB)測試結果，通過多次迭代試錯來估計層間強度和斷裂韌性。

二、打印工藝分析與建模

1.結構各向異性

通過對復合材料不同纖維方向的拉伸試驗來研究制備的復合材料的特性，如圖2所示。本文通過表面改性增加了纖維表面的附著力，超聲波處理使樹脂溶液振動并充分移動到纖維束的間隙中。因此，改進的制造工藝可以充分發(fā)揮纖維增強的作用，增加單向強度。第2和第3個方向的拉伸性能在初始階段相似，這種低強度主要是由于AM的局部結構特征和纖維堆積過程造成的微觀缺陷造成的。當一個熱的新層沉積在冷基板層上時，它會導致熱失配和不同的冷卻收縮，這反過來導致層與層之間的連接處形成孔隙，這導致層間很難緊密的連接在一起。氣孔的存在降低了層間的粘結強度，在1、2方向，斷裂是由于超過了纖維和樹脂的強度，視為層內損傷。由于過渡區(qū)的存在，樹脂強度在第2方向有所下降，但仍大于第3方向的層間連接強度。對斷裂斷面的SEM圖像進行分析，如圖3所示，為理論模型的建立提供依據(jù)。

圖2.沿不同方向的應力-應變曲線（每個方向包括6個試件）

圖3. (a)打印不同方向的復合材料截面形成示意圖:(b)樹脂滲透到纖維束的中心區(qū)域;(c)重疊的細絲組成一個平面導致再結晶轉變區(qū); (d) 疊加的熱量不匹配層和空氣之間的孔隙層

2.理論模型

2.1層內損傷

為了確定初始失效，采用了3D-Hashin準則。與Tsai-Hill，Tsai-Wu和最大應力準則相比，3D-Hashin準則考慮了復合材料的破壞模式和相互作用應力。

根據(jù)材料構件特征，單向CFRP的3D-Hashin準則可寫成：

考慮到預處理后纖維-樹脂相互作用的改善，以及2-3截面上樹脂的脆性區(qū)域，我們假設層間3方向的強度近似等于層內2方向的強度。隨著破壞的累積，歷史損傷閾值單調增加控制材料破壞過程的不可逆性。與線性發(fā)展相比，損傷變量的演化以指數(shù)形式表示，以準確描述復雜的破壞過程。

損傷變量更新如下:

2.2層間損傷

本文采用內聚接觸面方法以及牽引力-分離定律，滿足二次應力準則時，層間發(fā)生損傷：

應用初始失效后的演化公式更新界面應力：

混合模式下的總斷裂韌性對應圖4中力位移曲線的總面積OFD，如下：

圖4.分層示意圖

三、仿真

1.參數(shù)設置

聚乳酸的層間剪切強度和Ⅱ型斷裂能很難進行試驗測量，因此通過試錯方法進行校準。的值參照文獻進行預估，每隔一段數(shù)值間距就帶進仿真與試驗結果對比。失效力效率(CFE)被用作一個校準指標，定義為失效過程中的平均載荷與最大載Pmax的比值。結果如圖5所示。模型參數(shù)如表1所示。

圖5.模擬和實驗CFE值的參數(shù)校準

表1.材料參數(shù)和損傷性能

2.模型驗證

根據(jù)結構性能和漸進失效理論，建立了有限元模型。用Fortran編寫的層內損傷模型集成到有限元軟件ABAQUS/Explicit的用戶子程序VUMAT中，主程序和VUMAT的流程如圖6所示。通過與彎曲實驗結果對比驗證了有限元分析的有效性。

圖6.主程序和VUMAT的流程

3.結果與討論

變形預測：波紋芯夾芯結構具有較高的抗損傷能力和良好的能量吸收能力，因此選用波紋芯夾芯結構作為示范。夾層結構有限元模型如圖7所示。為了研究結構的耐撞性，沖擊頭以5mm /min的速度沖擊面板。為了評估破壞模型，采用比能吸收(SEA)和CFE作為損傷過程的表征指標，SEA定義為壓縮沖擊過程中吸收的能量與質量的比值，如圖8所示。

夾層結構的模擬和實驗結果均具有較高的CFE值(0.709 ~ 0.745)，相對誤差為5.08%。高CFE值是漸進失效過程的特征之一，這也表明該失效模型對于打印CFRP結構的性能預測具有較好的效果。除結構變形外，還可以模擬AM產品常見的分層損傷，如圖9所示。從圖中可看出，彎曲變形處的應力最大，導致節(jié)點超過極限而分離，形成分層損傷。因此，本文提出的破壞模型數(shù)值計算方法對預測AM碳纖維布的力學性能是有效的。

圖7.(a)夾層結構的有限元模型；(b)載荷條件；(c)制造用單元的打印路徑和尺寸

圖8.抗沖擊特性:(a)實驗和模擬輸出的載荷-位移曲線;(b)模擬和實驗中夾層結構的SEA和CFE比較

圖9 位移7.8 mm時的變形行為和應力分布，(a)模擬中的整體結構變形，(b)實驗中的變形對比，(c)應力分布表明分層破壞。