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摘要：为实现熔丝制造（Fused filament fabrication， FFF）3D打印复合材料精准、高效的渐进损伤预测，本文以FFF 3D打印碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）带孔层合板为对象，对其拉伸失效行为开展了机理性探索。创新性提出了适用于FFF 3D打印CFRP结构的渐进损伤失效分析方法，该方法可精确模拟孔边应力集中状态下的层内失效-层间分离耦合行为，并修正了就位效应影响下的打印材料强度。同时，开展了较为系统的（正交铺设、角铺设、混合铺设和螺旋铺设）3D打印带孔层合板拉伸失效试验，从细观损伤到宏观失效多尺度角度对其渐进损伤行为进行了分析，验证了本文提出方法的正确性，并揭示了FFF 3D打印CFRP带孔层合板的失效机理。结果表明，FFF 3D打印CFRP带孔构件的拉伸失效由纤维断裂和基体开裂主导，同时伴随应力集中处的层间II型滑开剪切失效。此外，角铺设工况中由于存在不同层叠角度及族聚层厚度而引发就位效应，同种铺设比例下试件极限承载力最大相差15.29%。采用经验公式修正就位效应后的三维渐进损伤模型平均计算误差为4.51%。故本文所提出的渐进损伤模型可为FFF 3D打印CFRP在桥梁工程关键承力构件中的应用奠定理论基础。
文章目录
1 试验材料及方法
1.1 3D打印CFRP原材料及成型过程
1.2 3D打印CFRP细观结构
1.3 3D打印试件基本力学性能测试
1.3.1 试件制备
1.3.2 试验设备
1.4 3D打印带孔层合板拉伸试验
1.4.1 带孔层合板制备工况
1.4.2 3D打印带孔层合板成型路径
1.4.3 3D打印带孔层合板拉伸试验
2 复合材料渐进损伤理论模型
2.1 层内渐进损伤模型
2.1.1 层内本构关系
2.1.2 层内损伤起始准则
2.1.3 层内损伤演化准则
2.2 层间渐进损伤模型
2.2.1 层间本构关系
2.2.2 层间损伤起始准则
2.2.3 层间损伤演化准则
3 带孔层合板数值仿真模型
3.1 考虑层内-层间耦合的有限元模型
3.2 渐进损伤的数值模拟
