[论文解读] Phase field predictions of microscopic fracture and R-curve behaviour of fibre-reinforced composites

Wei Tan, Emilio Martínez‐Pañeda|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Numerical methods in engineering被引用 10

一句话总结

本研究提出了一种耦合相场-界面 cohesive zone 模型，用于模拟纤维增强复合材料中的微观断裂及 R-曲线行为。通过在有限元模拟中结合相场断裂法模拟基体开裂与界面 cohesive zone 模型模拟纤维-基体脱粘，该框架能够准确预测裂纹路径、载荷-位移响应及 R-曲线，揭示孔隙可通过裂纹钝化机制提升断裂韧性。

ABSTRACT

We present a computational framework to explore the effect of microstructure and constituent properties upon the fracture toughness of fibre-reinforced polymer composites. To capture microscopic matrix cracking and fibre-matrix debonding, the framework couples the phase field fracture method and a cohesive zone model in the context of the finite element method. Virtual single-notched three point bending tests are conducted. The actual microstructure of the composite is simulated by an embedded cell in the fracture process zone, while the remaining area is homogenised to be an anisotropic elastic solid. A detailed comparison of the predicted results with experimental observations reveals that it is possible to accurately capture the crack path, interface debonding and load versus displacement response. The sensitivity of the crack growth resistance curve (R-curve) to the matrix fracture toughness and the fibre-matrix interface properties is determined. The influence of porosity upon the R-curve of fibre-reinforced composites is also explored, revealing a stabler response with increasing void volume fraction. These results shed light into microscopic fracture mechanisms and set the basis for efficient design of high fracture toughness composites.

研究动机与目标

• 开发一种计算框架，以捕捉纤维增强聚合物复合材料中的微观断裂机制。
• 研究基体断裂韧性、纤维-基体界面性能以及孔隙对裂纹扩展抗力（R-曲线行为）的影响。
• 通过与实验单 notched 三点弯曲试验对比，验证模型在裂纹路径与载荷-位移预测方面的准确性。
• 探讨微结构特征（如孔隙）对断裂韧性的影响，并识别最优增韧策略。
• 建立一种多尺度虚拟工具，用于高效设计高断裂韧性复合材料。

提出的方法

• 采用相场断裂法，基于 Griffith 准则，通过最小化正则化能量泛函来模拟基体开裂。
• 将 cohesive zone 模型与相场方法耦合，以模拟纤维-基体脱粘及纤维桥接效应。
• 在包含实际微结构的虚拟单 notched 三点弯曲试样上进行有限元模拟，其中嵌入代表性体积元（RVE）。
• 将剩余复合材料区域均质化为各向异性弹性固体，以降低计算成本，同时保持宏观响应。
• 参数化研究中，改变基体韧性、界面强度与韧性，同时在基体中以 2% 至 10% 的体积分数引入圆形孔隙。
• 通过将预测的裂纹路径与载荷-CMOD 响应与实验数据对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 该相场-界面 cohesive zone 耦合模型如何预测纤维增强复合材料中的裂纹扩展与脱粘行为？
• RQ2 基体断裂韧性与界面韧性对 R-曲线行为的相对贡献是什么？
• RQ3 基体中孔隙率的增加如何影响断裂韧性与裂纹路径拓扑结构？
• RQ4 基体中规则的圆形孔隙是否会导致断裂韧性上升，从而通过裂纹钝化机制实现增韧，与典型缺陷引起的性能退化相反？
• RQ5 该模型在多大程度上能准确再现实验的载荷-位移响应与裂纹路径？

主要发现

• 耦合相场-界面 cohesive zone 模型能准确预测裂纹路径、界面脱粘及载荷-位移响应，与实验数据具有极佳一致性。
• 提高基体断裂韧性比提高界面断裂韧性更具增韧效果，因其可导致更高的 R-曲线斜率。
• 孔隙可提升断裂韧性：在 Δa = 0.8 mm 时，10% 的孔隙体积分数使断裂韧性比无孔隙情况提高 37%。
• 由于规则圆形孔隙引起的裂纹钝化，导致 R-曲线上升，表明裂纹扩展更稳定，与典型制造缺陷引起的性能退化相反。
• 模型揭示，弱纤维-基体界面强度虽可提高断裂韧性，但会降低材料强度，凸显设计中的权衡关系。
• 该框架可实现复杂裂纹路径（包括分支与合并）的准确模拟，且无网格引起的各向异性偏差。