纤维增强复合材料因其轻质、高比刚度、高强度及耐腐蚀等优点，在车辆结构、储氢罐、风电叶片等领域具有广泛应用前景。然而，其宏观力学性能与微观损伤机制之间的复杂关联，尤其是断裂韧性等关键性能的准确预测与优化，一直是复合材料设计与应用中的核心挑战。传统基于经典连续介质力学与有限元的方法在处理裂纹萌生与扩展等不连续问题时存在局限性，难以直接描述损伤演化过程。
针对这一痛点，香港城市大学、香港理工大学的研究团队在《Composite Structures》上发表了相关研究成果。该研究提出了一种创新的微观力学异质近场动力学模型，成功实现了对纤维增强复合材料微观损伤与断裂行为的精准模拟，揭示了界面协同增韧的核心机制，为设计下一代高韧性复合材料提供了关键的理论依据和仿生设计策略。论文标题为”Toughening mechanisms of fiber-reinforced composites: A micromechanical heterogeneous peridynamic model”。
该研究发展了一种三维微观力学近场动力学模型，该模型的核心创新在于明确考虑了复合材料的微观异质性，定义了五种类型的非局部相互作用键：纤维键、基体键、纤维-基体界面键、层间法向键与层间剪切键。每种键类型可以具有不同的作用域半径和本构参数，从而更真实地反映各相在载荷传递与损伤中的作用。模型参数（如微观模量、临界键应变）通过与宏观弹性常数、强度及断裂韧度（如临界能量释放率）进行能量等效标定获得。该方法通过自适应动态松弛技术求解准静态问题，为系统研究微观参数对宏观断裂行为的影响提供了平台。
图1 用于模拟层合复合材料的近场动力学键的概念图示
为验证模型的有效性，研究团队进行了三项数值验证。首先通过预测层合板偏轴模量，将模型结果与解析解及既有数值结果对比，验证了其在弹性响应预测上的准确性。随后，通过模拟中心裂纹层合板在拉伸下的损伤演化，成功再现了不同铺层设计下各向异性的裂纹扩展路径，其结果与实验观测高度一致。例如，在[0/45/0]铺层中，模型捕捉到了中间层裂纹路径因应力重分布而从45°向0°偏转的复杂行为。最后，针对紧凑拉伸试件，模型成功模拟了裂纹沿预制缺口扩展的过程，并再现了实验力-位移曲线中峰值后的锯齿状特征。数据强化方面，研究通过参数分析揭示了界面性能的关键作用：例如，纤维-基体界面刚度参数φfm从0.09提升至0.27时，复合材料承载能力显著提升；层间剪切键强度提升20%可使归一化断裂韧性显著提高；模型对比显示，采用δFm=1.5dx的界面作用域设置时，计算结果与实验曲线吻合更佳。
图2 偏轴模量随纤维取向的变化。
图3 (a) 测试设置及(b)-(c) [0/45/0]层合板在加载位移分别为0.3U₀和0.35U₀时的纤维-基体（F-M）键损伤演化。
图4 单向拉伸载荷下中心裂纹层合板最终裂纹形貌的实验与PD建模结果对比。
图5 不同铺层设计层合板的裂纹模式与位移分布。
图6 层合板及其顶部两层的应力（绿色柱）与损伤（蓝色柱）演化过程。
图7 位移加载结束时的应力与损伤分布：(a) 层合板；(b) 顶层（90°）；(c) 第二层（0°）；(d) 第三层（90°）
图8 数值与实验结果的力-位移曲线对比。
基于验证后的模型，文章系统探讨了各微观组分性能对复合材料断裂韧性的影响。参数研究表明，纤维是主要的载荷承担者，其次是纤维-基体界面、层间界面和基体。研究特别强调了界面强化与增韧的协同效应：层间界面强化后归一化韧性提升幅度显著高于纤维-基体界面强化；界面强化策略的增韧效率普遍高于界面刚化策略；塑性基体模型的后峰值曲线平滑度相较于弹性模型显著提高。这些发现表明，通过仿生策略（如砖泥结构、Bouligand结构）增强界面与层间性能，是提升复合材料断裂韧性的有效途径。
图9使用不同策略时归一化韧性的提升。
该研究得出结论：所开发的微观力学近场动力学模型能够有效模拟层合复合材料的损伤演化与断裂行为。主要发现包括：纤维是主要承载体；纤维-基体界面与层间界面的刚化与强化能通过协同提升纤维键、界面键等的载荷承载能力，从而显著提高复合材料的断裂韧性；在相同增强程度下，层间界面强化的增韧效率最佳。这项研究不仅为理解和预测复合材料的损伤机制提供了强有力的数值工具，而且为设计下一代高韧性纤维增强复合材料，特别是通过界面工程和仿生结构设计优化性能，提供了重要的理论依据和设计指导。
原始文献：
Sun, W., Liew, J. X., Gong, M., & Yin, B. (2025). Toughening mechanisms of fiber-reinforced composites: A micromechanical heterogeneous peridynamic model. *Composite Structures, 368*, 119285.
原文链接:
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119285