Page 37 - 《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

在纵向压缩条件下的损伤是纤维扭结后发生断 Buckled fibers
boundary
[38]
裂引起的，RVE 模型没能预测到“扭结”（图 13 ） Micro-voids
这一现象，这可能与 RVE 的厚度有关 [26] ，但纤维
断裂这一损伤机制是能被预测的。此外，无论是
纵向拉伸还是纵向压缩，RVE 模型中环氧树脂
Kink-band
在纤维断裂前没有发生任何损伤，而是在多根碳 boundary
纤维发生断裂现象后才出现局部破碎，这是因为
环氧树脂在单轴拉伸和压缩条件下的失效应变 Fiber failure
（约 5% 和 10%）远远大于碳纤维在纵向拉伸和
压缩下的失效应变（1.87% 和 1.16%） [27] 。因此， 100 μm
在纵向载荷条件下纤维断裂是 UD CFRP 的主要
图 13 光学显微镜下 UD CFRP 的“扭结带”和纤维断裂 [38]
损伤机制。
Fig. 13 The "kink-band" and fiber fracture of UD CFRP
2.3 剪切力学行为 under the optical microscope [38]
图 14 为 RVE 模型计算得到的剪切载荷条件下的应力-应变曲线与实验结果 [27] 的对比。可以看到，

UD CFRP 在面外剪切下表现出脆性断裂行为，而在面内剪切下则表现出一定的塑性。两者的性能表现
分别与横向拉伸和横向压缩情况类似，但相应的失效应变却远大于相应的情况。进一步分析发现面外
剪切的失效应变是横向拉伸下失效应变的 3 倍左右，推测此时环氧树脂对 UD CFRP 的面外剪切力学行
为起主导作用，而环氧树脂的剪切失效应变正好是自身单轴拉伸失效应变的 2～3 倍。此外，环氧树脂
的剪切失效应变小于自身的压缩失效应变，因此面内剪切下 UD CFRP 较大的失效应变需要新的解释。
在 2.1 节中，分析得出 UD CFRP 横向压缩表现塑性的原因是：基体起主导作用，碳纤维作为增强相，而面
内剪切载荷下则是相同的机制。面内剪切更大的失效应变归结于此时载荷方向与碳纤维纵向重合，而
碳纤维的纵向模量远大于横向模量，更高模量的纤维在一定程度上限制了环氧树脂的剪切变形，增大了
UD CFRP 的塑性应变。

60 120

Exp. [27] Exp. [27]
50 FEA D 100 FEA C
B
40 B C 80
Stress/MPa 30 A Stress/MPa 60 A

40
20
10 20

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 1 2 3 4 5
Strain/% Strain/%
(a) Out-of-plane shear (b) In-plane shear

图 14 实验与数值模拟的剪切应力-应变曲线
Fig. 14 Shear stress-strain curves of experiment and numerical simulation

图 15 为 RVE 模型模拟的 UD CFRP 在面外剪切载荷下的损伤演化过程。基体塑性变形和界面脱粘
是同时发生的，但是基体的塑性应变很小，此时，UD CFRP 的主要损伤是由界面脱粘引起的，随后界面脱
粘处的局部应力集中引发基体塑性变形快速积累，接着基体发生破坏，形成的微裂纹与界面脱粘形成的
微裂纹汇聚，最终形成的贯穿裂纹与剪切载荷方向之间的夹角大约为 45°。可以看出，UD CFRP 在面外
剪切载荷下的损伤演化过程与横向拉伸类似。图 16 为 RVE 模型模拟的 UD CFRP 在面内剪切载荷下的
损伤演化过程。可以看出，与横向压缩下损伤演化机理相似，在弹性段结束时（点 A）UD CFRP 同时发生

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