静态载荷下海洋环境中聚合物层合板可重用性评估的数值框架

《Composite Structures》：Numerical framework for assessing the reusability of polymer laminates in marine environments under static loading

本研究针对退役复合材料在海洋环境中的再利用难题，开发了一种集成Fick定律、Puck失效准则和单元弱化法的数值框架，用于评估玻璃纤维增强聚合物(GFRP)层合板在海水浸泡和静态载荷下的力学性能退化。通过设置不同表面渗透性条件(全渗透、上下表面不透、侧向渗透)和浸泡时间(70天/300天)的七组实验验证，结果表明该模型能准确预测极限拉伸强度(UTS)，证实表面涂层可有效减缓海水引起的性能退化，为复合材料结构的安全再利用提供了重要工具。

　　

随着风电、船舶等海洋工程领域对复合材料需求的激增，退役复合材料的处理已成为紧迫的环境挑战。以风电叶片为例，一台7.5MW机组需消耗75吨复合材料，而大量叶片在运行15年后即因损伤或老化提前退役，仅2022年中国就产生5.9万吨废弃叶片。热固性复合材料因交联链结构难以回收，传统回收技术（机械法、热解法、化学法）成本高且易导致性能损失。与金属结构不同，复合材料部件的直接再利用研究尚属空白，其中两大核心难题在于：首次服役产生的微观损伤（如基体裂纹）会加速水分扩散，而保护涂层的破损会使材料暴露于海洋环境，引发更严重的性能退化。

为系统评估复合材料在海洋环境中的再利用潜力，葡萄牙科英布拉大学H. Vidinha团队在《Composite Structures》发表研究，构建了基于有限元法的数值分析框架。该研究以经历疲劳测试后截取的GFRP层合板为对象，通过控制表面涂层状态（Case I全渗透/Case II上下表面不透/Case III侧向渗透）和海水浸泡时间（70天/300天），建立七组实验对照，结合Fick定律模拟水分扩散、Puck准则判定纤维/基体失效、单元弱化法(EWM)模拟渐进损伤，首次实现了考虑初始损伤与海水扩散耦合效应的结构性能预测。

关键技术方法包括：1）通过准静态渐进损伤模型模拟首次使用产生的基体损伤；2）利用热扩散类比法计算三维水分浓度分布；3）开发Python算法实现不同网格间损伤与浓度数据映射；4）采用Puck准则区分纤维断裂(FF)和层间断裂(IFF)失效模式。实验部分使用手工铺层制备[0°/45°/90°/45°/0°/90°]_s铺层顺序的GFRP试样，通过电子天平监测吸水率，采用Shimadzu试验机进行单轴拉伸测试，并结合数字图像相关(DIC)技术测量应变场。

4.1 最优海洋条件下的重用性能

对比原始试样与未经历海水扩散的重用试样发现，尽管极限拉伸强度仅降低1.5%，但杨氏模量出现显著下降。数值模拟显示，初始使用导致的基体损伤主要影响45°和90°铺层刚度，而纤维在高应力下仍保持完整，证明重用结构在严格保护下仍具应用价值。

4.2.1 吸水特性与扩散系数

通过三维Fick模型计算得出，沿纤维方向的扩散系数(D_x=D_y=4.34×10^-13mm²/s)远高于厚度方向(D_z=0.084×10^-13mm²/s)，证实边缘纤维的毛细作用是主要渗透路径。Case I（全渗透）试样在70天吸水率较Case III（侧向渗透）高约40%，凸显涂层防护的重要性。

4.2.2 海水浓度分布预测

数值模拟清晰呈现浓度梯度：Case I在300天浸泡后近表面区域饱和度达0.8，而Case III仅孔洞周边出现局部湿润。应力集中区与高湿度区域的重叠预示结构完整性风险。

4.2.3 力学行为预测

所有重用试样均呈现双阶段应力-应变曲线：初始高刚度阶段（YM1）由纤维-基体共同承载，后续低刚度阶段（YM2）对应基体损伤扩展。随着浸泡时间延长，70天组YM1轻微上升（暂归因于溶胀效应），300天组YM2显著提高但UTS下降5-11%。数值预测与实验数据误差小于3.5%，尤其准确捕获了Case II条件下UTS下降6%的关键特征。

该研究通过多尺度验证证实，所建数值框架能有效评估复合材料在海洋环境中的再利用潜力。表面涂层可显著抑制水分渗透，但微观损伤与湿度扩散的耦合效应仍需深化研究。未来工作可拓展至多轴载荷、疲劳工况及局部涂层破损模型的建立，为复合材料循环经济提供更精准的工具支撑。