西北工业大学李玉龙教授、张超教授与澳大利亚悉尼大学仝立勇教授，合作开展了纺织复合材料宏观等效性能和渐进损伤过程的理论预测方法研究，提出了一种新的多尺度理论建模策略，实现了纺织类复合材料在拉压等不同载荷条件下强度性能和渐进失效行为的快速预测，并成功应用于二维机织复合材料、二维三轴编织复合材料、三维机织复合材料等多种航空发动机用纺织复合材料的性能预测。相关研究成果以题为“A new analytical method for progressive failure analysis of two-dimensional triaxially braided composites”和“Theoretical prediction for effective properties and progressive failure of textile composites: a generalized multi-scale approach”先后发表在复合材料领域顶级期刊《Composites Science and Technology》和中国力学旗舰期刊《Acta Mechanica Sinica》上，博士生党浩源为论文第一作者，张超教授为通讯作者。
与传统的层合复合材料相比，纺织复合材料拥有更优异的可设计性、更高的损伤容限和较为均衡的面内力学性能，在航空航天结构中得到了越来越多的应用。以航空发动机为例，当前国际上最新一代的大涵道比涡扇发动机的压气机叶片和机匣均采用了纺织复合材料，包括GEnx的机匣（采用二维三轴编织复合材料）、LEAP-X的叶片和机匣（均采用三维机织复合材料）和GE-9X的机匣（采用三维机织复合材料）。纺织复合材料在航空发动机结构中的应用，极大的降低了结构重量，在提高发动机效能的同时还能够有效的提升机匣的包容能力，保障飞行安全。
为了充分发挥纺织复合材料在工程结构上的优势，有必要在设计阶段快速获得材料的力学性能。然而，纺织复合材料种类繁多、几何构型复杂多样，通过试验测量和数值仿真进行材料筛选时间周期长，且需要耗费大量的人力和物力资源。现有的成熟理论方法能较为有效地预测纺织复合材料的刚度性能，但是难以应用于强度性能和渐进失效行为预测。此外，基于多尺度理论体系的精确求解方法（例如，General Method of Cells），虽能实现纺织复合材料强度的高精度预测，但存在计算效率低、迭代收敛难等问题，限制了其实际工程应用。因此，发展兼具准确性、高效性和通用性的理论模型来预测纺织复合材料的强度性能和渐进损伤过程仍是一个亟待解决的问题。
针对这一需求，该课题合作团队在国家自然科学基金、陕西省国际合作项目和111引智基地等项目的支持下，针对纺织类复合材料的多尺度理论预测方法开展了系统的研究，并取得重要进展。项目团队提出了基于等效单层板单元（Equivalent Lamina Element, ELE）的三维离散化和重组装建模策略，在保留关键几何特征的同时，实现了单胞（宏观尺度）力学响应与等效单层板单元（细观尺度）力学响应的显式数学表达；进一步地，通过引入Murakami-Ohno损伤理论，量化计算了各等效单层板单元损伤程度，实现了纺织复合材料渐进失效过程的高效预测。
目前，该模型已被成功应用于平纹机织复合材料、斜纹机织复合材料、二维三轴编织复合材料和经向增强的2.5D机织复合材料在多种面内载荷下应力应变响应和强度性能的预测，与试验和数值结果的对比，验证了该理论模型的有效性和准确性。该理论方法为纺织复合材料的性能预估和构型筛选提供了关键的设计工具，也将为我国新一代商用航空发动机复合材料结构的设计提供基础理论和方法支撑。
李玉龙教授和张超教授课题组长期从事复合材料及其结构的冲击动力学行为、失效机理和多尺度多场耦合数值仿真方法的研究工作，近年来在编织复合材料的多尺度破坏行为与仿真方法、复合材料的率相关失效行为、复合材料界面的动态断裂测试方法、复合材料的冲击损伤失效机理等方向取得了一系列创新性研究成果，并在国产航空发动机型号研制中得到应用。相关研究成果已在《Composites Science and Technology》、《Composites Part A》、《Composites Part B》、《Composite Structures》、《Acta Mechanica Sinica》、《International Journal of Impact Engineering》等复合材料和力学领域的高影响力国际期刊上发表多篇论文。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107936
https://link.springer.com/article/10.1007/s10409-021-01098-8
图1 纺织复合材料多尺度理论预测框架
图2（a）二维三轴编织复合材料在轴向拉伸载荷下力学响应的对比（理论预测、数值模拟和试验测试）；（b）二维三轴编织复合材料在轴向拉伸载荷下渐进损伤过程对比（理论预测和数值模拟）。其中，MT代表基体拉伸；FT代表纤维拉伸
（文/党浩源、张超 审核/李玉龙)
