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在复合材料层合板的工程应用中，III型分层行为的准确表征一直是学术界和工业界面临的挑战。现有测试方法如分束悬臂梁（Split Cantilever Beam；SCB）和边缘裂纹扭转（ Edge Crack Torsion；ECT）试验存在明显的局限性，包括混合模式加载条件、裂纹前缘应力分布不均匀以及初始裂纹长度对断裂韧性（G_IIIC）的显著影响。这些问题导致测量结果严重依赖试样尺寸，违背了断裂韧性作为材料本征属性的基本假设。例如，传统方法中G_IIIC值随初始裂纹长度变化波动高达97%，严重限制了其在标准化测试和工程设计中的应用。  

为应对上述问题，重庆大学、河北工业大学的研究团队在Composites Science and Technology发表了相关研究成果。该研究针对复合材料III型分层断裂韧性测量中长期存在的尺寸依赖性问题，提出了一种基于扩展有限元法的改进数据缩减方法，通过引入几何修正因子和等效剪切模量理论，成功实现了边缘环形裂纹扭转试验中纯III型断裂韧性的尺寸无关准确测量，为复合材料分层行为的标准化测试与安全设计提供了可靠解决方案。论文标题为”Mode III delamination characterization for composite laminates: an improved size-independent data reduction method for edge ring crack torsion test”。

该研究聚焦于能产生纯III型载荷的边缘环形裂纹扭转试验，并对其数据缩减方法进行了根本性的改进。研究团队首先通过扩展有限元法，系统地建立了包含48种不同厚度和裂纹尺寸组合的三维有限元模型，以精确计算实际几何条件下的应力强度因子。基于此，该文章定义了一个关键的修正因子η_III，用以量化并修正经典Tada解析解与真实薄板层合结构之间的维度失配。另一方面，针对复合材料正交各向异性的特点，该研究采用了子层板理论推导出层合板的等效剪切弹性常数，从而建立了适用于正交各向异性材料的G_III与K_III关系。最终，该研究将几何修正因子与材料本构关系相结合，提出了一个统一的、改进的半解析表达式，为边缘环形裂纹扭转试验提供了准确且便捷的数据缩减方案。

图1 边缘环形裂纹扭转测试设置；(b) 边缘环形裂纹扭转试样；(c) 环形粘接表面

图2 受扭转载荷的带环形裂纹无限长轴示意图

图3 环形裂纹轴的扩展有限元法模型细节（a）横向网格；（b）纵向网格 

图4 不同厚度H和分层前缘直径d下归一化应力强度因子η_III的变化 

实验验证结果充分证明了该改进方法的有效性和优越性。该研究对不同的厚度和初始裂纹直径的碳纤维平纹织物试样进行了系统测试。使用原始方法计算的G_IIIC值表现出强烈的尺寸依赖性，例如在厚度从3.2毫米增加到6.4毫米时，G_IIIC值差异高达97%。然而，在应用改进后的数据缩减方法后，所有不同几何配置下测得的G_IIIC值变得高度一致，波动范围被成功控制在5%以内，这明确证实了该研究成功实现了尺寸无关的断裂韧性测量。此外，在三种不同的材料体系中都获得了重复性良好的结果，其中碳纤维平纹织物、玻璃纤维平纹织物和单向碳纤维的G_IIIC值分别为1076.7 J/m²、1227.3 J/m²和904.6 J/m²，变异系数均低于10%，与文献中通过其他方法报道的范围相符。

图5 原始方法与改进方法的G_IIIC对比

图6 断裂表面分析：（a）碳纤维平纹织物（CW）试样；（b）单向（UD）纤维增强试样

该研究的成果具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。在理论层面，该方法首次为复合材料提供了稳定、可靠的纯III型断裂韧性测量方案，获得的G_IIIC可被确认为一个真正的材料常数，这为发展精确的复合材料损伤容限分析和寿命预测模型奠定了坚实基础。在工程应用上，该方法极大地推动了III型分层测试标准化的进程，为航空航天、风力发电等广泛使用复合材料层合板结构的安全设计与评估提供了关键的技术支撑和性能参数。同时，文章对分层路径和断裂表面的微观分析揭示了均匀的剪切破坏机制和特征性的45°取向树脂碎屑，这不仅验证了纯III型载荷条件，也深化了对III型分层破坏物理过程的理解，对指导抗分层复合材料的结构设计具有重要价值。

原始文献： 

Li, Z., Gong, Y., Gao, Y., Lin, W., Zhang, J., Zhao, L., & Hu, N. (2025). Mode III delamination characterization for composite laminates: an improved size-independent data reduction method for edge ring crack torsion test. *Composites Science and Technology*, 271, 111346.