近日，我院海洋结构物设计与评估团队在纤维增强复合材料力学性能研究方向取得关键进展，相关研究成果Process-induced residual stress analysis of reinforced layer of reinforced thermoplastic pipes (纤维增强热塑性管道增强层的工艺残余应力分析)发表于《Polymer Composites》期刊。《Polymer Composites》是复合材料科学领域的国际权威期刊，在2025年中科院分区中位于SCI二区行列。论文第一作者为2022级博士研究生张晨，通讯作者为娄敏教授，开云电竞投注（华东）为第一署名单位和唯一通讯单位，该研究得到了国家自然科学基金、青岛市自然科学基金和自主创新科研计划项目（理工科）-青年基金的联合资助。
图1 论文首页
RTP工艺残余应力的实验方法昂贵且复杂，而现有研究中使用的理论和数值模拟方法均存在过度简化，无法全面地针对影响RTP工艺残余应力的制造参数开展研究。本文针对热塑性的RTP的工艺残余应力开展研究，首先利用数值均匀化框架实现了微观与宏观尺度的转换，综合考虑了纤维带的微观特性以及制造工艺参数，建立了细致的三维微观力学数值模型，随后基于桥联模型建立了RTP增强层纤维带的热力学理论模型。通过与实验结果的比较，本文所提出的三维RVE模型准确表征了基体与界面的非线性损伤力学行为。基于该模型预测所得工程常数和横向拉伸强度与材料供应商提供参数误差均在4%左右，验证了数值模型的合理性。
图2 玻璃纤维/高密度聚乙烯复合材料RVE有限元模型
经实验验证后，将数值模型和理论模型相结合，研究了典型生产工况下RTP增强层的工艺残余应力的形成过程，并开展了增强层纤维带横向拉伸及剪切破坏的数值模拟。可知在缠绕温度与缠绕张力的耦合作用下基体与界面均会产生不同程度的损伤，其中界面损伤主要来源于机械载荷，而基体损伤主要来源于热载荷。初始损伤的存在一定程度上降低了纤维带的横向拉伸强度与剪切强度。相对于无残余应力的工况，含工艺残余应力的纤维带的横向剪切强度下降约11.28%，纵向剪切强度下降约14.80%。
图3 残余应力引起的模型损伤
该研究揭示了RTP生产过程中典型工况下纤维带工艺残余应力的形成过程，结合桥联理论模型从微观尺度研究了工艺残余应力的产生机理以及分布规律，并进一步分析了工艺残余应力对纤维带力学行为的影响。
论文链接：https://4spepublications.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pc.29908
