八边形空心三维编织碳纤维增强塑料（CFRP）中冲击应力集中的预测：一种用于多尺度协同编织的ISCF耦合物理模型

《Polymer Composites》：Prediction of Impact Stress Concentration in Octagonal Hollow 3D-Woven CFRP: An ISCF-Coupled Physical Model for Multi-Scale Synergistic Weaving

　　三维编织碳纤维增强复合材料在冲击载荷下的应力集中问题研究，建立耦合分析预测模型量化几何曲率半径与纤维排列协同效应，实验验证冲击应力集中系数误差<3%，误差超限时提出修正模型，创新多尺度协同织造工艺结合椭圆截面RVE模型实现纤维体积分数高精度预测（误差1.1%），揭示预form二面角区域应力集中显著高于直线区域，当纤维体积分数达51.06%时损伤安全系数突破阈值，材料易发生不可逆损伤，为工程优化提供理论支撑。

　　

摘要

本研究聚焦于八边形中空三维编织碳纤维增强聚合物（CFRP）预制件在冲击载荷下的应力集中问题。开发了一种耦合分析预测模型，用于预测冲击应力集中因子（ISCF）。定量分析了几何曲率半径和纤维排列等参数的协同效应。此外，在相应条件下，通过低速冲击实验验证了该模型的准确性，ISCF的预测误差小于3%。对于误差超过3%的情况，提出了一个修正模型。研究提出了一种创新的多尺度协同编织工艺：通过0°/90°正交纱线布置构建了平面内增强结构，并引入了Z轴方向的纱线以实现三维空间中的整体增强。同时，构建了一个具有椭圆截面的代表性体积元素（RVE）模型，以实现纤维体积分数（V_f）的高精度跨层预测，其预测误差约为1.1%。结果表明，预制件中二面角区域的应力集中显著高于直线区域。在本研究中，当V_f分数达到51.06%时，材料的损伤安全系数超过了安全阈值，表明在该体积分数下材料容易发生不可逆损伤。本研究为3D编织CFRP的优化设计提供了理论依据，对工程应用具有重大价值。

研究亮点

• 在设定条件下，ISCF的预测误差控制在3%以内。
• 首次提出了八边形中空三维编织结构，RVE模型的预测误差约为1.1%。
• 临界V_f分数触发了材料的损伤阈值，为3D编织CFRP的安全使用设定了界限。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

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