复合材料在航空航天和汽车工业中的应用日益广泛，尤其是编织复合材料因其出色的面外刚度、强度和抗冲击性能而备受青睐。然而，复合材料在液态复合成型过程中的预制体会经历复杂的纱线相互作用，如挤压、错位和扭转，导致内部细观结构高度不均匀，进而严重影响其力学性能。这种非均匀性为准确评估复合材料结构的力学行为，尤其是在损伤与破坏过程中，带来了巨大挑战。
为解决这一问题，北京理工大学的研究团队提出了一种考虑成型过程的并发多尺度分析方法，用于精确分析异型复合材料结构的力学行为。该研究通过模拟编织复合材料的预成型过程，系统研究了内部细观结构的变化，并提出了一种基于特征（如剪切角）的降维方案，将宏观模型与相应的细观模型耦合，进一步结合自洽聚类分析方法，实现了高效的多尺度力学行为模拟。该方法通过U形编织复合材料结构的渐进失效分析，揭示了其宏观与细观尺度上的破坏机制，为复合材料成型工艺的结构设计与优化提供了有力工具。
该研究首先采用非正交本构模型对编织复合材料的预成型过程进行建模，获取其在成型过程中的细观结构变化。以U形结构为例，通过剪切角作为特征参数，利用k-means聚类算法对宏观积分点进行区域划分，将具有相似特征的区域耦合到同一细观模型中，显著降低了计算复杂度。在细观尺度上，采用自洽聚类分析（SCA）方法对代表性体积单元（RVE）进行模型降阶，通过在离线阶段聚类具有相似力学响应的体素单元，在线阶段通过求解基于聚类的Lippmann–Schwinger方程，高效获取材料的非线性力学响应。该方法在Abaqus中通过用户子程序VUMAT实现并发多尺度计算，有效兼顾了计算精度与效率。
研究结果表明，该多尺度方法在预测具有不同纱线角度的单元力学行为方面与实验结果高度一致。随着纱线角度α从60°增大至120°，宏观单元的模量与强度均呈现非线性下降趋势，失效应变先增后减，尤其在α > 100°时急剧下降，说明此时材料破坏主要由基体主导，纤维增强效应减弱。通过对比不同剪切角下的应力-应变响应，该方法的预测结果与文献中的实验数据吻合良好，验证了其有效性。在U形结构弯曲试验中，并发多尺度模拟所得到的载荷-位移曲线与实验数据基本一致，误差在5%以内，显著优于忽略预成型过程的理想RVE模型结果。
该多尺度方法不仅能够准确捕捉宏观失效过程，还能揭示细观尺度的损伤演化机制。以U形结构顶部受压区域一点A为例，其耦合的细观RVE在剪切角为38.7°时表现出明显的纤维方向偏转，导致其在局部坐标系2方向上增强效应显著。在弯曲载荷作用下，该区域纱线发生纵向压缩损伤，伴随基体塑性与横向损伤，最终导致宏观积分点失效。该方法通过跨尺度信息传递，实现了从细观组分属性到宏观结构响应的精准预测，为复合材料结构设计与成型工艺优化提供了可靠的仿真工具。
该研究的意义在于提出了一种系统考虑预成型工艺影响的并发多尺度建模框架，有效解决了传统均匀化方法难以处理高度异质复合材料力学行为的瓶颈问题。通过特征降维与SCA方法的结合，在保证精度的同时大幅提升了计算效率，为复杂异型复合材料结构的虚拟测试与性能优化奠定了基础。
图1 编织织物剪切变形示意图：（a）变形前；（b）变形后
图2 编织织物性能测试：（a）单轴拉伸试验；（b）画框试验
图3 形编织织物复合材料结构的制造：（a）实验装置；（b）预成型配置
图4 U形预成型剪切变形结果：（a）本文方法结果；（b）Hwang工作的实验与仿真结果
图5 细观RVE的几何建模
图6 异型复合材料结构并发多尺度方案示意图
图7 （a）U形编织织物复合材料结构的特征降维；（b）各特征区域对应的细观RVE
图8 并发多尺度方案示意图
图8 不同剪切角下的单单元仿真
图9 U形试件弯曲测试：（a）实验测试；（b）并发多尺度仿真
图10 U形试件的多尺度失效演化：（a）宏观损伤演化；（b）弯曲试验后试件断裂面图像；（c）时刻I的细观场信息；（d）时刻II的细观场信息
原始文献：
Liu, C., Ge, J., Zhao, S., Zhang, Q., Liu, X., & Liang, J. (2025). Multiscale analysis method for profiled composite structures considering the forming process. *Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 196*, 106014.
原文链接：