近日，中国石油大学（华东）海洋结构物设计与评估团队在热塑性纤维增强复合材料性能研究方面取得重要进展，并以“Mechanical responses and microscopic irreversible deformation evolution of thermoplastic fiber-reinforced composites under cyclic loading”为题将相关成果发表在疲劳与断裂力学领域的国际权威期刊《International Journal of Fatigue》上，该期刊在2025年中国科学院分区中位列SCI二区行列。论文第一作者为2022级博士生张晨，通讯作者为娄敏教授，中国石油大学（华东）为第一署名单位。该研究得到国家重点研发计划青年科学家项目、山东省重点研发计划（重大科技创新工程）、国家自然科学基金-青年科学基金项目、自主创新科研计划项目（理工科）、自主创新科研计划项目（理工科）-青年基金等项目的支持。
图1 论文首页
随着纤维增强复合材料在高性能结构领域的广泛应用，基于宏观的实验和数值模拟的复合材料疲劳力学行为研究成为关注热点，但对其在疲劳载荷下细观损伤演化机理的研究则相对有限。针对现有研究不足，本研究针对HDPE/玻璃纤维复合材料，基于平行流变框架(PRF)建立了热塑性基体的非线性粘弹-弹塑性本构模型并通过材料试验拟合本构参数，较好地捕捉了聚合物材料的率相关力学响应及不可逆变形损伤行为。
为了准确表征单向纤维增强复合材料的复杂力学行为，本研究建立纤维随机分布的三维RVE模型，并应用周期性边界条件使其能够准确反映材料力学行为。同时依据相关规范制作了复合材料试样，开展了复合材料循环拉伸试验，结果证明，应用了非线性粘弹-弹塑性的本构模型的RVE模型能够较为精确地预测循环载荷作用下复合材料的疲劳力学响应。
图3 纤维随机分布的三维RVE模型
在此基础上，团队利用RVE模型由细观尺度开展了不同循环加载工况下复合材料力学行为的分析，研究发现单轴循环加载条件下，纤维的Mises应力分布几乎仅与细观尺度上纤维中心间距和纤维中心连线与加载方向的夹角相关，而基体的Mises应力分布在受到以上因素影响的同时，还与纤维富集度相关。相较于单轴加载工况，轴循环加载工况下纤维和基体的Mises应力峰值随着双轴比的增加而下降，且不同双轴比下纤维和基体应力峰值随循环周次的变化趋势也产生了明显差异。
图4 典型循环周次下基体不可逆变形分布及演化
该研究深入分析循环载荷下热塑性纤维增强复合材料的疲劳力学响应及细观损伤机理，采用实验和数值相结合的方法开展了复合材料在不同工况下疲劳力学行为及损伤失效机理的分析，厘清了不同因素对复合材料率相关力学响应的影响机制，分别揭示了单轴和多轴循环载荷下复合材料细观尺度下的应力分布和损伤扩展随循环周次发展的规律。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142112325005249#ak005
