1.导读

固化工艺诱导的残余应力是一个长期困扰连续纤维增强复合材料制造的问题。现有的残余应力预测方法主要基于工艺建模仿真，需要用到十分复杂的树脂固化本构，精确建模难度大、耗时长、成本高。而对于几何形状复杂、丢层较多以及混杂铺设的复合材料结构，残余应力预测更为困难。

本征应变法是一类有效预测残余应力的方法，该方法认为残余应力是由层间本征应变失配、模具与表层预浸料之间剪切诱导机械预应变引起的。该方法可以涵盖树脂固化过程中几乎所有的非线性力学行为，基于本征应变场和弹性理论实现对残余应力场的预测，将复杂的固化动力学非线性问题转化为线弹性问题，具有效率高、精度高、成本低，工程应用潜力巨大。这其中，如何准确获取固化过程引起的本征应变场分布是层压复合材料残余应力预测的难点和关键。

2023年10月，哈尔滨工业大学复合材料研究所王长国教授课题组，在复合材料期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上在线发表了题为“An inverse method for curing process-induced eigenstrain reconstruction of laminated composites”的论文，建立了一种用于重构层合复合材料固化本征应变场的方法，并用于指导复杂铺设和异形复合材料梁的设计与制造。论文通讯作者为王长国教授和吉庆祥助理教授，第一作者张藻旭博士，联合单位为中航工业哈飞集团。

2.内容简介

本文创新提出了一种层合复合材料的本征应变场重构方法。层合复合材料的每一层通常都是在相同的固化工艺下成型的，根据本征应变可转移原理，同一材料的每一层具有均匀一致的本征应变。所以，固化本征应变场可以直接由单层的本征应变构建，基于此，提出了单层本征应变的反演方法。

该方法的具体实施：通过测量标准层合板（分别是针对单向带的USL和针对织物的WSL）的残余应变和曲率来计算对应材料的单层固化本征应变。标准层合板在固化本征应变诱导下将由初始的平板形状转换为柱面。

图1 标准层合板示意图

根据经典层合板理论，得到单层固化本征应变和对应的标准层合板的残余弹性应变和曲率之间的关系式。

标准层合板的残余中面应变用FBG测量得到，曲率使用三维非接触式扫描工具T-scan测量。

图2 测量示意图

在获得单层单向带和织物的固化本征应变后，在ABAQUS中实现本征应变法的计算。其中，复合材料采用壳单元建模，单层本征应变张量作为伪热应变张量输入仿真模型，分析得到整个本征应变场。分析计算了与实验相同工艺的单向带、织物单独铺层、混杂铺层的层合板的固化变形，与实验结果吻合。

图3 外型最优匹配结果

将该方法成功用于预测变厚度复杂铺层的层压复合材料工字梁构件的固化变形。该方法不受铺层、形状、尺寸和固化工艺等局限，是一类普适性方法，预测速度快准确度高，且易操作成本低，特别适合大型复杂复合材料结构的固化残余特性研究。

3.小结

本文提出了一种反演复合材料固化本征应变的方法。结果表明，该方法具有很高的预测精度，并可以低成本、高效率的预测异形、复杂铺层复合材料构件的残余应力场和固化变形，有助于探究工艺对残余特性的影响规律，指导大型复合材料构件异形化设计与制造。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107863