基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.006

复合材料科学与工程 ›› 2026, Vol. 0 ›› Issue (1): 39-44.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260128.006

基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析

许欣怡¹, 马连华^2*, 周伟¹

1.河北大学质量技术监督学院无损检测实验室,保定 071000;
2.东莞理工学院材料科学与工程学院交叉科学研究中心,东莞 523000

收稿日期:2024-11-26 出版日期:2026-01-28 发布日期:2026-03-12
通讯作者: 马连华(1979—),男,博士,教授,硕士生导师,研究方向为复合材料多尺度力学及无损检测技术,malianhua@dgut.edu.cn。
作者简介:许欣怡(1999—),女,硕士,研究方向为复合材料多尺度计算及声发射损伤监测。

Progressive damage analysis of unidirectional fiber composites under bending via direct multiscale method

XU Xinyi¹, MA Lianhua^2*, ZHOU Wei¹

1. Non-destructive Testing Laboratory, College of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071000, China;
2. Research Institute of Interdisciplinary Science, School of Materials Science and Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523000, China

Received:2024-11-26 Online:2026-01-28 Published:2026-03-12

摘要/Abstract

摘要： 基于ABAQUS仿真平台,本文采用一种高效的并行多尺度计算方法,即直接多尺度有限元(Direct FE²,DFE²)法,对碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)在弯曲载荷下的渐进损伤行为开展了数值研究。该方法实现了宏观尺度模型和微观尺度代表性体积元(Representative Volume Element,RVE)的同时计算。在考虑纤维在基体内随机分布的基础上,利用Python脚本实现了微观尺度RVE模型的参数化建模。基于ABAQUS内置的热-力耦合分析模块,通过编制UMATHT和UMAT子程序,比拟求解了基于局域化梯度增强模型的聚合物基体损伤问题。最后,DFE²和全尺寸直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS)的对比计算研究表明,DFE²方法在保证准确性的同时,显著提高了计算效率,从而大幅降低了计算成本。

关键词: 碳纤维复合材料, 损伤演化, 局域化梯度损伤模型, 直接多尺度方法, 有限元分析

Abstract: Based on the ABAQUS simulation platform, an efficient parallel multiscale method, direct FE²(DFE²), was used to investigate the progressive damage behavior of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) under bending loads. The DFE² method adopted in this study enables simultaneous computation of the macroscale model and the microscale representative volume element (RVE). Considering the random distribution of fibers within the matrix, a parameterized microscale RVE model was generated using using Python scripts. Using custom UMATHT and UMAT subroutines within ABAQUS's built-in thermo-mechanical coupling module, a simulation approach was developed to model damage in polymer matrix based on a localized gradient-enhanced model. Comparative analysis between DFE² and direct numerical simulations (DNS) demonstrates that the DFE² method significantly improves computational efficiency while maintaining accuracy, leading to a substantial reduction in computational costs.

Key words: carbon fiber reinforced composite, damage evolution, localizing gradient damage model, direct FE², finite element analysis

中图分类号:

TB332

许欣怡, 马连华, 周伟. 基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(1): 39-44.

XU Xinyi, MA Lianhua, ZHOU Wei. Progressive damage analysis of unidirectional fiber composites under bending via direct multiscale method[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2026, 0(1): 39-44.

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基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析

Progressive damage analysis of unidirectional fiber composites under bending via direct multiscale method

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