在当前全球材料科学日趋绿色低碳、可持续发展的背景下，天然纤维增强复合材料（NFRCs）作为可持续替代材料备受高度关注。以竹纤维为代表的天然纤维兼具环境友好、高比强度、低密度、价格低廉、来源丰富等特点，在交通运输、建筑材料等领域展现出巨大的工程潜力。然而，由于天然纤维复杂的损伤机制、周期性纤维波纹、结构不均匀性、固有缺陷以及其本身结构异质性，导致低速冲击（LVI）工况下NFRCs的损伤模式极为复杂，传统测试与单尺度建模难以全面表征其动态响应机制。因此，构建可同时表征材料组成结构与宏观力学响应的多尺度模型，对于推动天然纤维复合材料的工程应用与性能预测具有重要理论与实践意义。
东北林业大学程万里、韩广萍、王栋团队与哈尔滨工业大学赵伟团队提出了一种基于X射线计算机断层扫描（X-ray CT）表征的平纹编织天然纤维增强复合材料（PWNFRCs）多尺度结构组成的建模方法，以准确捕捉PWNFRCs的LVI响应和损伤失效机制。该研究采用均质化方法将PWNFRCs的材料性能从介观尺度转移到宏观尺度。宏观尺度LVI数值模型预测了PWNFRCs在不同能量水平下的LVI响应与损伤失效机制。在5J、7.5J和10J的冲击能量水平下，实验峰值冲击载荷与模拟峰值冲击载荷之间的误差分别为8.29%、2.84%和3.70%，而最大位移误差始终控制在8.3%以内。研究表明，在更高能量冲击下，PWNFRCs的损伤失效模式逐渐演变为更复杂的协同损伤机制，包括纤维断裂、基体开裂和层间剥离。实验与模拟结果之间的高一致性表明，所提出的多尺度建模方法在预测不同LVI载荷条件下的动态响应和损伤失效机制方面是可靠的，为研究天然纤维增强复合材料（NFRCs）的LVI行为和损伤失效机制提供了通用框架，研究结果对于NFRCs的材料设计及其性能优化、促进NFRCs在工程领域的应用与发展具有重要意义。
相关研究以“Experimental and numerical investigation on low velocity impact of plain-woven bamboo fiber reinforced epoxy resin composites based on multiscale modeling”为题，发表于《Composites Part B: Engineering》期刊，东北林业大学博士研究生姚航、白天为共同第一作者，程万里教授、韩广萍教授、王栋副教授及赵伟副教授为共同通讯作者。
研究创新亮点
本项研究聚焦于平纹编织竹纤维增强环氧树脂（PWBFRE）复合材料的低速冲击行为与损伤失效机制，结合X-ray CT技术与多尺度数值建模方法，创新点如下：
1.引入X-ray CT与SEM实验手段获取的编织纱线排列、空隙分布与基体几何结构等数据，构建考虑制造缺陷的高保真介观尺度RVE模型，提高了数值模拟结果对实际缺陷敏感性的准确性；
2.通过介观尺度与宏观尺度数值模型的均质化耦合，实现了复合材料的有效材料性能从介观尺度向宏观尺度的有效传递；
3.结合LaRC05准则与连续损伤（CDM）理论，采用VUMAT程序实现了不同能量水平下PWBFRE复合材料LVI响应和失效机制的预测；
4.实验结果与模拟结果在动态力学响应和损伤失效机制方面表现出高度的一致性，验证了多尺度建模方法适用于揭示LVI下NFRCs的动态力学响应和损伤失效机制，有助于理解其失效模式，并为NFRCs材料设计和性能优化提供了理论基础。
基于均质化的多尺度建模方法
该团队提出了一种介观-宏观动力耦合多尺度建模方法。在介观尺度，纱线被视为单向BF/EP复合材料。离散化的纱线几何模型通过织造装配工艺编织成平纹织物纱线组件（PWYC）。同时，考虑到制造过程中存在的缺陷，将离散化的PWYC和包含空隙的EP部件组装成介观尺度RVE模型，以研究空隙对PWBFRE复合材料力学性能的影响。通过均质化方法，将不同材料组分的力学性能从介观尺度转移到宏观尺度，构建了PWBFRE复合材料的宏观尺度LVI模型。所提出的多尺度建模方法有效地将介观尺度材料性能和力学行为转移到宏观尺度LVI模型，实现了从介观尺度到宏观尺度的动态耦合。
图1.多尺度建模方法在PWBFRE复合材料的LVI中的应用
介观尺度RVE模型的计算分析
采用应变基3D Hashin失效准则和Von Mises准则模拟了不同加载工况下三种不同孔隙分布模式的介观尺度RVE模型的损伤失效行为。研究结果发现，不同孔隙分布模式的RVE模型预测结果与实验结果高度一致，如图2所示。充分证实了高保真介观模型在表征PWPCs的结构组成、预测其材料性能及局部损伤行为方面的准确性。
图2. 具有不同空隙分布模式的RVE模型的力学性能
不同冲击能量下PWBFRE复合材料的LVI响应
研究团队通过将不同冲击能量下模拟结果与实验数据的数据误差进行对比，验证了该模型在力学行为预测方面的可靠性。具体而言，在5J，7.5J和10J的冲击能量水平上，实验峰值冲击负荷和模拟峰值冲击载荷之间的误差分别为8.29%，2.84%和3.70%，而最大位移误差则在8.3%以内。此外，实验测试和模拟测试得到的吸收能量结果保持着高度一致性，充分说明所构建的宏观LVI模型具备良好的工程适用性与可靠性。
图3. PWBFRE复合材料的低速冲击响应
不同冲击能量下PWBFRE复合材料的LVI损伤形貌分析
为进一步验证所提出的多尺度建模方法在研究复合材料的LVI响应与损伤失效机制方面的可靠性，研究团队将LVI测试后复合材料的X-ray CT表征结果与模拟结果进行对比，系统揭示了PWBFRE复合材料在5J、7.5J与10J不同冲击能级下的典型损伤演化机制。随着冲击能量由5J升至10J，PWBFRE复合材料的损伤模式由初始的局部纤维拉伸与基体开裂，逐步演化为更复杂的多模态协同破坏。在7.5J时，出现明显层间脱粘、锥形裂纹与垂直裂纹；而在10J时，进一步发展为贯穿裂纹、横向裂纹及大范围纤维-基体破坏，显著削弱材料结构稳定性与抗冲性能。模拟与实验结果高度一致，有力验证了所提出的多尺度建模方法在预测NFRCs的LVI响应与损伤失效机制方面的准确性与适用性。
图4. 5J 冲击能量下 PWBFRE 复合材料的损伤失效结果
图5. 7.5J 冲击能量下 PWBFRE 复合材料的损伤失效结果
图6. 10J 冲击能量下 PWBFRE 复合材料的损伤失效结果
该团队提出了一种多尺度建模方法，适用于模拟LVI下PWBFRE复合材料的复杂动态响应和损伤机制。使用高保真介观尺度模型得到了PWBFRE复合材料的材料性能。采用均质化方法将材料特性从介观尺度转移到宏观尺度。通过在不同冲击能量水平下对PWBFRE复合材料的宏观数值模型进行LVI模拟，准确预测了其LVI响应和损坏失败机制。在三个能量水平（5J，7.5J和10J）下，实验和模拟峰值冲击负荷之间的误差分别为8.29%，2.84%和3.70%。同时，最大位移误差保持在8.3%之内。此外，随着影响能量的增加，PWBFRE复合材料的损伤失败模式逐渐演变为更复杂的协同损伤模式，包括纤维破裂，基质破裂和层间分层。在较高的冲击能量水平下，PWBFRE复合材料的抗性能力和结构完整性大大降低。从模拟和实验测试获得的损伤行为和失败机制表现出高度的一致性。该多尺度建模方法适用于揭示LVI下NFRCs的损伤机制，有助于理解其故障模式，并为NFRCs的材料设计和性能优化提供了理论基础。
第一作者简介
姚航，东北林业大学木材科学与技术学科博士研究生，师从程万里教授（导师）与韩广萍教授（合作导师）。目前，主要围绕竹长纤维/环氧树脂复合材料的成型机制及性能调控、基于多尺度建模的竹长纤维/环氧树脂复合材料的力学性能及损伤失效行为展开研究；在国内外相关学术领域发表SCI 论文5 篇，其中以第一作者在Composites Part B: Engineering、Composites science and technology发表SCI学术论文2篇。
白天，东北林业大学木材科学与技术学科博士研究生，师从韩广萍教授（导师）与程万里教授（合作导师）。研究方向为竹/木基结构功能材料、竹纤维复合材料的成型机制及性能调控。目前作为公派联合培养博士生在加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）Orlando Rajos教授课题组从事研究工作。在国内外相关学术领域发表 SCI 论文16 篇，以第一/共同第一作者在Nature Communications、Composites Part B: Engineering、Advanced Fiber Materials、Chemical Engineering Journal、Composites science and technology期刊上发表 SCI 论文9 篇。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836825006857
相关进展
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