Page 29 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 裴柯磊，等： 基于细观力学模型的单向纤维复合材料的力学行为 第 7 期

真实分布的 UD CFRP 二维 RVE 模型，发现横向拉伸载荷下裂纹形成是界面脱粘处基体快速发生塑性变
形从而失效导致的；Daggumati 等 [23] 利用纤维随机分布的三维 RVE 模型研究了孔隙率对 UD CFRP 横向
拉伸下力学行为的影响，结果表明，孔隙率的增加不仅会降低 UD CFRP 的横向拉伸强度，还改变了 RVE
模型中最终贯穿裂纹的位置；Wang 等 [24] 建立了一个纤维强度满足韦伯分布的 UD CFRP 三维 RVE 模
型，用于描述 UD CFRP 在纵向拉伸中的渐进损伤，模拟结果表明，较弱的纤维首先被破坏，随着纵向拉
伸载荷的增加，更多的破坏纤维在 RVE 内部随机出现，直至最终破坏；Xu 等 [25] 建立了一个考虑玻璃化
转变温度效应的环氧本构模型，研究了老化对 UD CFRP 横向拉伸/压缩和面内/面外剪切载荷下最终损
伤的影响，结果表明在所有载荷条件下，老化后 UD CFRP 的最终损伤区域显著增加；Sun 等 [26] 利用三维
RVE 模型研究了双轴载荷下不同应力比的 UD CFRP 损伤情况，所绘制的失效包络线与试验结果吻合且
克服了经典失效模型在高剪应力空间下误差过大的难题。上述基于 RVE 模型的 UD CFRP 损伤机制研
究主要关注不同载荷、温度和微观缺陷对 UD CFRP 最终损伤的影响，对纤维、基体和界面各自损伤机制
的发生顺序和相互作用并未进行深入研究，UD CFRP 在拉伸、压缩和剪切载荷作用下的损伤演化情况
尚不清楚。
综上所述，本文建立一个考虑 UD CFRP 真实微观几何特征的 RVE 模型，模型包含了纤维、基体和
界面 3 种基本单元，在考虑纤维的横观各向同性弹性和基体拉压不对称特性的基础上，引入纤维断裂、
基体延性损伤和界面脱粘等损伤机制；对 RVE 施加周期性边界条件，并分析横向拉压、纵向拉压和面内
外剪切载荷下 UD CFRP 的力学行为，分析 UD CFRP 在各个载荷下的损伤演化过程和主要损伤机制，以
期为 CFRP 在复合载荷环境下的安全性评估和失效预测提供理论支持。

1 计算细观力学模型

1.1 RVE 模型
本研究的 UD CFRP 为 60% 纤维体积分数的 IM7/环氧 8552，不仅被广泛用于火箭和飞机蒙皮的制
造材料，且已经有针对该材料在不同载荷下力学性能实验的公开报道 [27] 。计算细观力学模型采用一个
基于纤维随机分布且满足周期性边界三维 RVE 模型，如图 1 所示，其中纤维随机分布的实现是利用
Yang 等 [28] 提出的随机顺序展开（random sequential expansion，RSE）算法，该算法能够满足高纤维体积分数（V＞
f
50%）的生成，最终的 RVE 模型的纤维体积分数为 60%。RVE 模型的尺寸大小对于计算结果十分重要，
一系列的研究 [19, 23] 证明边长为 53.4 μm 的 RVE 模型可以预测该体系 UD CFRP 在横向和剪切方向的宏
观性能和微观损伤特征，此外，Wang 等 [24] 的研究证明厚度 20 μm 的 RVE 模型能较好模拟 UD CFRP 在
纵向拉伸下的力学行为，因此最终 RVE 模型的尺寸为 53.4 μm×53.4 μm×20 μm，纤维半径为 3.3 μm。原
子力显微镜下的结果显示碳纤维与环氧基体之间界面相的厚度大约为 0.11 μm [29] ，因此，本模型中界面相
的厚度设定为 0.1 μm。Naya 等 [30] 认为 UD CFRP 的 RVE 模型中包含大约 50 根碳纤维时能精确描述其
力学行为，本文建立的模型中碳纤维数量为 62 根，满足计算需求。

53.4 μm

z y 53.4 μm
x O RVE 20 μm Fiber Matrix Interface

图 1 RVE 三相几何模型
Fig. 1 Geometric model of RVE with three phases

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