纺织复合材料因其高比强度、高比刚度及优异的设计灵活性，在航空航天、交通运输等领域广泛应用。然而，其复杂的多尺度结构与损伤行为使得力学性能与失效过程的精确预测极具挑战。传统的细观有限元模型虽精度高，但计算成本巨大；而纯理论模型虽效率高，却难以捕捉渐进损伤细节。
针对这一问题，西北工业大学张超团队、民航飞行器撞击防护与安全评估重点实验室、适航认证中心、强度与结构完整性国家重点实验室的研究团队提出了一种理论-数值协同的多尺度建模方法，通过将基于物理的细观理论模型嵌入宏观有限元框架，实现了纺织复合材料渐进失效行为的快速与精准预测。该模型在保证预测精度的同时，将计算效率提升了超过一个数量级，为复杂复合材料结构的高效设计与失效分析提供了强有力的工具。论文标题为”Theoretical-numerical integrated multi-scale model for fast prediction of progressive failure in textile composites”。
为克服上述挑战，该研究提出了一种理论-数值协同的多尺度建模框架。该框架的核心在于将基于物理机理的理论分析模型与宏观有限元计算深度融合：理论模型负责在细观尺度预测纱线的刚度、强度以及损伤演化，而有限元模型则在宏观尺度求解结构的力学响应。具体而言，通过Chamis模型获取等效层单元的刚度矩阵，采用串联-并联模型进行均质化以得到单元细胞的整体刚度，并引入结合Hashin与Hou理论的失效准则判断损伤起始，基于Murakami-Ohno理论描述损伤演化过程。该协同框架通过用户子程序VUMAT嵌入ABAQUS/Explicit求解器中，实现了宏观应变增量与细观损伤变量之间实时、双向的数据交换，形成了一个闭合的计算回路。
图1 进行多尺度数值模拟的各种方法
图2 协同多尺度建模框架示意图
图3 预测2DTBC渐进损伤的理论模型示意图
该模型在多种试样类型与载荷条件下进行了系统验证，结果表明其兼具高精度与高效率。在精度方面，该模型预测的六层2DTBC在轴向拉伸、横向拉伸、轴向压缩及横向压缩下的应力-应变曲线与纯理论模型高度吻合。与实验数据及细观有限元结果的对比进一步证实了其可靠性。在效率方面，该模型的优势更为显著，以缺口试样为例，其完成一次模拟仅需约3小时，而传统的细观有限元模型则需要480小时，计算效率提升高达160倍。
图4 2DTBC直边试样拉伸和压缩行为的模拟结果与实验和细观FE模拟结果的对比
图5 2DTBC管状试样拉伸和压缩行为的模拟结果与实验结果的对比
该模型展现出良好的通用性，可应用于具有复杂几何特征与实际边界条件的工程结构分析。对于管状试样，该模型成功预测了其在横向拉伸与压缩载荷下的渐进损伤路径，损伤起始于0°纱线区域并最终导致偏轴纱线的纤维失效，与细观有限元模拟揭示的机理一致。对于含缺口的试样，该模型准确地捕捉到了损伤从应力集中区域起始并扩展的过程，其预测的损伤模式与数字图像相关技术的测量结果相符。这些应用实例证明，该理论-数值协同模型能够为纺织复合材料结构在复杂工况下的失效分析、寿命评估与优化设计提供一个快速且可靠的仿真工具。尽管该模型未考虑基体塑性与纤维/基体界面损伤等细节，这为未来研究的进一步深化指明了方向。
图6 使用协同多尺度FE模型和细观FE模型对管状试样在各种加载条件下的渐进失效预测
图7 2DTBC缺口试样拉伸行为的损伤云图预测： proposed model vs. meso-FE model
原始文献：
Zhang, C., Wu, B., Dang, H., Zhang, Y., Xing, J., Zhao, Z., & Li, Y. (2025). Theoretical-numerical integrated multi-scale model for fast prediction of progressive failure in textile composites. Composites Science and Technology, 271, 111341.
原文链接：
https:///10.1016/j.compscitech.2025.111341