準確評估碳纖維增強復(fù)合材料在純剪切狀態(tài)下的力學(xué)性能一直是實驗力學(xué)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。文章開發(fā)了一種改進型V型切口軌道剪切（VNR）試驗裝置，旨在解決傳統(tǒng)ASTM D7078標(biāo)準測試中常見的試樣面內(nèi)與面外旋轉(zhuǎn)、滑移及非均勻剪切應(yīng)變等問題 。
研究團隊通過引入導(dǎo)向柱和全約束夾緊裝置，顯著增強了試驗過程中的對齊精度并抑制了試樣的非預(yù)期轉(zhuǎn)動 。此外，文章提出了一種先進的多尺度有限元分析模型。與傳統(tǒng)僅提取單一微觀失效點的方法不同，該模型通過識別并整合微觀尺度下的多個潛在失效區(qū)域，實現(xiàn)了對CFRP剪切損傷演化及非線性行為更精確的預(yù)測 。通過數(shù)字圖像相關(guān)法和實驗對比（包括±45°拉伸、Iosipescu及傳統(tǒng)VNR測試），驗證了該改進方法在誘導(dǎo)純剪切行為和獲取可靠剪切強度方面的優(yōu)越性 。
在復(fù)合材料力學(xué)性能測試領(lǐng)域，準確獲取面內(nèi)剪切性能始終是一個技術(shù)難題。碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic；CFRP）因其優(yōu)異的比強度、比剛度和輕量化特性，在航空航天、汽車制造等高端裝備領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而，復(fù)合材料的剪切性能測試長期受到多種因素困擾，包括測試過程中難以維持純剪切應(yīng)力狀態(tài)、試樣面內(nèi)與面外轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，以及不同測試方法之間結(jié)果差異顯著等問題。
近期，韓國漢陽大學(xué)、 現(xiàn)代汽車集團AVP部的研究團隊在Composites Part A期刊上發(fā)表了相關(guān)研究成果。該研究成功開發(fā)了一種改進型V型缺口導(dǎo)軌剪切測試方法，通過創(chuàng)新的夾具設(shè)計和考慮微觀多點失效的先進多尺度模擬，實現(xiàn)了碳纖維增強復(fù)合材料純剪切性能的可靠測量與精確預(yù)測，為復(fù)合材料剪切性能表征建立了新的技術(shù)標(biāo)準。論文標(biāo)題為“Development of the modified V-notched rail shear test for carbon fiber reinforced composites with multi-scale simulation method considering microscopic failure points”。
該方法在常規(guī)V型缺口導(dǎo)軌剪切夾具兩側(cè)增加了導(dǎo)向圓柱，采用球軸承減小摩擦，確保設(shè)備在實驗設(shè)置過程中的對中性和加載過程中的面外約束。更重要的是，研究團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了全新的夾緊裝置，能夠完全約束試樣的所有自由度，有效防止試樣在測試過程中發(fā)生面內(nèi)轉(zhuǎn)動。為避免過度約束導(dǎo)致夾持區(qū)產(chǎn)生過大局部應(yīng)力，試樣上粘貼了加強片以分散載荷。此外，為深入理解剪切行為，文章還開發(fā)了先進的多尺度有限元模擬方法。與傳統(tǒng)的多尺度模擬不同，該方法不再將失效區(qū)域固定在微觀模型的單一特定點，而是通過微觀尺度分析識別多個潛在的失效區(qū)域，并將這些區(qū)域信息整合到宏觀尺度分析中，從而更準確地模擬損傷演化和整體材料行為。
圖1 四種剪切試驗的實驗設(shè)置
圖2 (a)單向復(fù)合材料和(b)平紋機織復(fù)合材料的多尺度分析建模示意圖
圖3 結(jié)合漸進損傷模型的多尺度模擬流程圖
實驗和模擬結(jié)果均驗證了改進方法的有效性。從文章中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比可以看出，對于單向CFRP，改進測試方法的破壞應(yīng)變達到0.2以上，遠超±45°拉伸試驗的0.076和常規(guī)V型缺口導(dǎo)軌剪切試驗的0.121；對于平紋機織CFRP，改進測試方法的破壞強度達到191.57 MPa，相比±45°拉伸試驗的79.31 MPa和Iosipescu剪切試驗的119.99 MPa均有顯著提升。文中匯總了各測試方法獲得的剪切模量、破壞強度和破壞應(yīng)變的平均值與標(biāo)準差，清晰地展示了改進方法的優(yōu)越性。數(shù)字圖像相關(guān)分析表明，在5%剪切應(yīng)變水平下，改進方法在試樣標(biāo)距段內(nèi)實現(xiàn)了最均勻的剪切應(yīng)變分布，而常規(guī)方法則存在明顯的應(yīng)變集中或不均勻。多尺度模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)高度吻合，考慮多個微觀失效點的先進模擬能更準確地預(yù)測應(yīng)力-應(yīng)變行為，還揭示了基體損傷從缺口側(cè)面萌生并逐漸擴展的演化過程，與實驗觀察到的裂紋起始點一致。
圖5 平紋機織CFRP在5%剪切應(yīng)變水平下的剪切應(yīng)變分布
表1 每種剪切試驗類型的實驗結(jié)果總結(jié)
圖6 傳統(tǒng)多尺度模擬和先進多尺度模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實驗結(jié)果的驗證對比
圖7 先進多尺度分析中觀察到的損傷傳播過程中的基體損傷因子
該研究成功開發(fā)的改進型V型缺口導(dǎo)軌剪切測試方法能夠可靠地測定碳纖維增強復(fù)合材料在純剪切條件下的剪切性能，為復(fù)合材料性能表征提供了精確且穩(wěn)健的手段。該方法克服了常規(guī)測試的缺點，誘導(dǎo)純剪切行為的能力通過DIC和模擬得到驗證，所獲得的可靠剪切行為數(shù)據(jù)有望為復(fù)合材料部件的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供寶貴見解。在工程應(yīng)用中，該方法可用于建立更準確的失效準則，特別是在區(qū)分純剪切和混合應(yīng)力失效域方面具有重要意義。此外，多尺度模擬框架能夠深入理解損傷機制，為復(fù)合材料的虛擬測試和性能預(yù)測提供有力工具。該研究為復(fù)合材料剪切測試設(shè)立了新標(biāo)準，對推動復(fù)合材料在高端裝備中的廣泛應(yīng)用具有重要價值。
原始文獻：
G.-W. Kim, H.-J. Rho, Y.-W. Kim, J.-S. Song, W.T. Kim, D.-H. Kim, J.-W. Park, H.-S. Kim, Development of the modified V-notched rail shear test for carbon fiber reinforced composites with multi-scale simulation method considering microscopic failure points, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 202(2026)109535.
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109535
京公網(wǎng)安備11010802046783號
