Page 35 - 《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

在本文的模拟中，环氧的摩擦角为 15°，计
算得到裂纹角度为 52.5°，与 RVE 模型的结果相 56°

一致。值得注意的是，SEM 结果显示，在很大尺
52.5°
寸内只出现了 1 条裂纹；而在 RVE 模拟中，较小
尺寸范围内就出现了 3 条裂纹。这种差异主要 y
100 μm
源于两者在尺度与边界条件上的不同。裂纹的 z O
萌生和扩展是一个随机过程，并且受 CFRP 内部 (a) RVE (b) SEM [35]
固有缺陷（微孔洞、纤维排列不均、局部树脂富 图 8 RVE 模型预测裂纹角度与 SEM 电镜表征结果 [35] 对比
集区）的影响，因此，在较大的 SEM 观察区域内， Fig. 8 Comparison of the crack angle predicted by the RVE
通常只会沿着最薄弱的路径形成 1 条主裂纹。 model and the characterization results of
SEM electron microscopy [35]
而 RVE 模型是一个具有周期性边界条件的模
型。周期性边界条件意味着单元的对边在变形上是耦合的，在这种设定下，载荷是均匀施加的，同时本
文所设置界面的强度是相同的，因此应力会在多个等效位置（如纤维富集处）同时达到临界值，从而可能
同时萌生多条裂纹。实际上，RVE 模型预测的多条裂纹可能与实验中在宏观主裂纹形成之前、难以观察
的分布式微裂纹相对应。此外，RVE 模型所预测的 3 条裂纹角度是近似相同的，进一步确定了 UD
CFRP 在横向压缩下的扩展裂纹角度。
2.2 纵向力学行为
图 9 为 RVE 模型计算得到的纵向载荷条件下应力-应变曲线与实验结果 [27] 的对比。与横向拉伸情
况 相 似 ， 无 论 是 纵 向 拉 伸 ， 还 是 纵 向 压 缩 ， UD CFRP 均 表 现 出 了 脆 性 断 裂 的 特 征 。 不 同 的 是 ， UD
CFRP 纵向拉伸强度大于纵向压缩强度，这是因为在纵向载荷条件下，碳纤维起主导作用，而碳纤维本身
的抗拉强度大于抗压强度，因此映射到 UD CFRP 上也表现出相似的力学行为。图 10 为纵向拉伸条件
下 UD CFRP 各部分初始损伤和最终损伤时刻的应力分布。在纵向拉伸应变为 1.41% 时（点 A），UD
CFRP 只有界面发生了轻微的损伤，纤维和基体未发生任何损伤，且纤维承受的应力远远大于基体和界
面；当纵向应变达到 1.51%（点 B）时，纤维发生大规模的断裂，界面和基体在纤维断裂的交界处发生了损
伤，这是因为纤维断裂造成了局部的应力集中，因此纵向拉伸下 UD CFRP 的损伤机制为纤维断裂，图 11 [37]
中偏光显微镜下的结果也证明了 UD CFRP 在纵向拉伸过程中的主要损伤机制是纤维断裂。

3 000 2 000
Exp. [27] Exp. [27]
FEA B FEA B
A
2 400 A
1 500
Stress/MPa 1 800 Stress/MPa 1 000
1 200
500
600

0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.3 0.6 0.9 1.2
Strain/% Strain/%
(a) Longitudinal tension (b) Longitudinal compression

图 9 实验 [27] 与数值模拟的纵向应力-应变曲线
[27]
Fig. 9 Longitudinal stress-strain curves of experiment and numerical simulation
图 12 为纵向压缩条件下 UD CFRP 初始损伤和最终损伤时刻的应力分布。在初始损伤时刻，UD
CFRP 发生了轻微的界面损伤和纤维断裂，这与拉伸条件下只发生界面损伤不同，随后同样在最终失效应
变时，大部分纤维发生断裂，造成的局部应力集中引起界面和基体的损伤破坏。光学显微镜下 UD CFRP

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