二维三轴编织复合材料（2DTBCs）因其优异的抗冲击性能和面内准各向同性，被广泛应用于航空航天结构，如航空发动机机匣、飞行器进气道结构等。然而，2DTBCs复杂的织物结构导致其变形与损伤演化高度非均匀，尤其在高应变率拉伸载荷下的力学响应与失效机理更为复杂，存在尺寸效应、温升致热力耦合效应等诸多影响机制。西北工业大学张超教授团队近期在《International Journal of Impact Engineering》和《Composites Part A》分别发表两篇研究成果，建立了2DTBC动态拉伸试验与精细化仿真方法，揭示了其动态拉伸失效机理，并进一步探索了高速冲击载荷下的局部温升与损伤演化的相互关联机制，填补了相关研究空白。
针对2DTBC在动态拉伸载荷下力学响应和失效行为的测量，建立了基于电磁霍普金森拉杆（E-SHTB）的高应变率拉伸试验方法，结合高速摄像与数字图像相关（DIC）技术，首次实现了2DTBC在高应变率条件下的拉伸加载与测量，完成了该材料从准静态到高速拉伸的全过程力学响应与失效过程的获取。
图1 基于电磁霍普金森杆的动态拉伸试验方法与典型信号曲线
开展了不同厚度试样在不同加载速率的拉伸测试与失效形貌表征，结果表明：轴向及横向强度均有明显的率相关性，而模量对应变率敏感度低；高加载速率对损伤演化和损伤程度有加速作用，在准静态和动态载荷下轴向试样均以轴向纤维束断裂为主导失效模式，而横向试样的损伤模式则随速率增加由纤维束横向损伤转变为横向纤维束断裂。
图2 不同应变率下试样的（a）应力应变响应和（b）损伤模式
建立了考虑纤维束、基体和界面的全尺寸细观有限元模型，并与准静态及动态试验结果进行对比，验证了所建立细观模型对应力应变响应及变形场的优异预测能力。结合试验和仿真，系统分析了不同加载速率下的试样表面应变分布及面外位移的演化过程，揭示了应变率效应对横向试样自由边效应的弱化机制，即：高应变率下基体和界面性能的强化所导致的损伤模式由自由边失效向纤维束断裂失效的转变。
图3 （a）全尺寸动态拉伸细观有限元模型（b）仿真结果与试验结果的对比
在动态拉伸失效机理研究的基础上，进一步开展了高速冲击载荷下的热力响应特性研究。搭建了集成红外热成像、三维DIC和高速摄像系统的冲击试验平台，实现了2DTBC在高速冲击下形变、破坏和温度场的同步测量。试验结果显示，在未穿透的冲击条件下，试样背面温度最高可达120 °C，且温升区域与纤维束断裂区域强相关。
图4 （a）高速冲击试验装置和（b）冲击仿真模型示意图
图5 不同撞击速度下2DTBC试样背弹面的温度分布响应结果
在前序研究的基础上，采用细观有限元模型，开展了冲击载荷下的热-力耦合仿真，并准确预测了不同冲击载荷下试样的形变、损伤与温升情况。基于有限元仿真结果系统分析了冲击载荷下温升的形成机制。结果表明，温升主要来源于偏轴纤维束断裂所释放的断裂能，此外轴向纤维束断裂、基体塑性变形与断裂也贡献了小部分热能。进一步说明，偏轴纤维束是该材料抗冲击吸能方面的主要贡献。
图6 89.6 m/s冲击速度下，试验结果与仿真结果的比较：（a）面外位移，（b）分层损伤，以及（c）温度分布
图7 冲击速度对纤维束和基体能量耗散的影响：（a）断裂能量（mJ/mm³）；（b）能量比（%）
此外，通过对比考虑热力耦合与不考虑热力耦合的仿真结果，发现温升不仅是被动响应，更会反向作用于结构力学响应。温度升高会导致材料局部软化，从而改变损伤扩展路径与局部应力分布，导致破坏区域边界拓宽、能量耗散路径转移。这一发现不仅阐明了温升对冲击失效行为的影响机制，也明确了红外热成像作为非接触损伤识别手段应用于冲击损伤监测的可行性。
图8 考虑温升效应和不考虑热力耦合的仿真结果对比：(a) 弹体速度、动能和内能；(b) 试样非弹性能量耗散；(c–d)有(c)和无(d)热力耦合的面外变形
本研究围绕2DTBC在动态载荷下的力学响应以及失效机理，构建了涵盖高应变率拉伸至高速冲击的试验与细观有限元仿真方法体系。基于电磁霍普金森杆实现了2DTBC的动态拉伸测试，结合细观有限元仿真，揭示了材料的率相关失效机理及其厚度相关性，阐明了高加载速率对自由边效应的削弱作用。量化分析了高速冲击诱导温升效应的演化机制，明确了偏轴纤维束对冲击吸能及温升能量的主导贡献，并进一步揭示了温升导致的局部软化和对渐进失效行为的耦合作用机制。上述研究系统揭示了2DTBC在复杂动态载荷下的损伤失效机理，为其在航空航天结构中的应用和抗冲击设计提供了关键理论依据与方法支撑。
原始文献1:
Bai Y, Liu P, Gu J, et al.Rate-dependent tensile failure behavior of 2D triaxially braided composites:
Experimental characterization and Meso-FE simulation. International Journal of Impact Engineering, 2025, 206, 105433.
DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2025.105433
原始文献2:
Cai Y, Liu P, Cao J, et al. Characterization and quantification of high-speed impact induced temperature rise behavior in braided composites. Composites Part A, 2025, 199, 109183.
DOI: 10.1016/j.compositesa.2025.109183