Page 27 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 第 7 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 7
2026 年 7 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES Jul., 2026

DOI：10.11883/bzycj-2025-0222

基于细观力学模型的单向纤维复合材料的力学行为 *

裴柯磊 ，李志强 1,2,3,4 ，何航宇 ，郑少秋 ，苏亚男 1
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（1. 太原理工大学航空航天学院，山西 太原 030024；
2. 太原理工大学材料强度与结构冲击山西省重点实验室，山西 太原 030024；
3. 太原理工大学山西省力学基础学科研究中心，山西 太原 030024；
4. 太原理工大学力学国家级实验教学示范中心，山西 太原 030024）

摘要： 基于 Hashin 等复合材料经典失效准则的宏观有限元模拟虽然能够考虑纤维断裂、基体损伤以及分层等宏
观损伤机制，但无法反映碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）内部的微观损伤行为，例如纤维与
基体之间的界面脱粘。为了解决这个问题，建立了一个同时考虑纤维、基体和界面的多相细观力学模型，综合考虑纤
维断裂、基体失效和界面脱粘等多种损伤机制，系统分析了横向拉伸/压缩、纵向拉伸/压缩以及面内/外剪切等典型载
荷路径下单向碳纤维增强复合材料（unidirectional carbon fiber reinforced polymer，UD CFRP）的损伤演化过程。结果表明：
实验与仿真得到的峰值应力和失效应变的相对误差小于 5%，同时模型预测的裂纹扩展路径与扫描电镜的观测结果一
致 ， 验 证 了 考 虑 微 观 结 构 的 微 观 力 学 模 型 的 准 确 性 。 在 此 基 础 上 ， 模 型 准 确 捕 捉 到 了 不 同 载 荷 条 件 下 UD CFRP
的损伤演化规律，这对于构建 CFRP 损伤容限设计准则和结构完整性评估体系具有重要工程价值。
关键词： 碳纤维增强复合材料；细观力学模型；损伤演化；裂纹扩展
中图分类号： O341 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

Mechanical behavior of unidirectional fiber reinforced polymer
based on micromechanical model

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PEI Kelei , LI Zhiqiang 1,2,3,4 , HE Hangyu , ZHENG Shaoqiu , SU Yanan 1
（1. College of Aeronautics and Astronautics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;
2. Shanxi Key Laboratory of Material Strength & Structural Impact, Taiyuan University of Technology,
Taiyuan 030024, Shanxi, China;
3. Shanxi Research Center of Basic Discipline of Mechanics, Taiyuan University of Technology,
Taiyuan 030024, Shanxi, China;
4. National Demonstration Center for Experimental Mechanics Education, Taiyuan University of Technology,
Taiyuan 030024, Shanxi, China）

Abstract: Although macroscopic finite-element simulations based on classical composite failure criteria such as Hashin’s can
account for macroscopic damage mechanisms such as fiber fracture, matrix damage, and delamination, these approaches are
unable to represent microscopic damage mechanisms within carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP), particularly interfacial
debonding between fibers and the matrix. To overcome this limitation, a multiphase micromechanical model was developed
that explicitly incorporates distinct constituent phases-fiber, matrix, and interface. This model integrates multiple damage
mechanisms such as fiber fracture, matrix failure, and interfacial debonding, enabling a more granular analysis of damage

* 收稿日期： 2025-07-17；修回日期： 2025-10-20
基金项目： 山西省科技重大专项计划项目（202301120401010）
第一作者： 裴柯磊（2000－ ），男，博士研究生，2024310006@link.tyut.edu.cn
通信作者： 李志强（1973－ ），男，博士，教授，lizhiqiang@tyut.edu.cn

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