基于纤维束单元框架的快速、可靠分析方法在伪延性薄层混合复合材料设计与中的应用

《Polymer Composites》：Development of a Fiber Bundle Cell Framework for Rapid, Reliability-Based Analysis and Design of Pseudo-Ductile Thin-Ply Hybrid Composites

碳纤维/玻璃混杂薄层复合材料采用新型纤维束胞（FBC）框架实现假塑性行为的可靠性设计，建立随机高效模型准确预测应力-应变曲线及统计散布，推导概率设计准则确保单调/平台响应，验证显示FBC模型能以3.06%误差重构实验数据并捕捉复杂失效关联，为安全关键复合结构提供损伤容限设计依据。

　　

摘要

在这项研究中，我们开发并验证了一种新的纤维束单元（FBC）框架，用于实现伪延性薄层碳/玻璃混合材料的快速、基于可靠性的设计。研究目标是建立一个随机性高但计算效率高的模型，以再现伪延性拉伸行为及其分散性，并推导出基于概率的设计准则，以确保在规定的置信水平下材料表现出单调的、类似平台状的响应。此外，我们通过重新评估已发表的研究结果来证明该模型的适用性，展示了基于FBC的分析方法能够提供多少额外信息。该方法采用了一种由具有统计分布的刚度和断裂应变的平行弹性束组成的线性E束FBC表示形式，这些参数直接根据平均值和标准差数据进行校准。我们推导出了预期应力及其标准差的封闭形式表达式，并将传统的强度比和II型韧性准则重新表述为概率形式。我们将该模型的预测结果与之前发表的薄层拉伸试验结果进行了对比：FBC准确重建了伪延性平台区（误差<5%），曲线拟合的均方根误差（RMSE）为3.06%，决定系数（R2）为0.9894；同时再现了分散性的非单调演变（包括由于纤维拔出和受限分层导致的负相关性），并得出了延性和界面韧性的下尾分位数。这些发现表明，FBC是一种具有物理解释能力的工具，可用于应变分辨的设计和可靠性评估，相比传统的评估方法，它能够提供关于伪延性行为的更深入和全面的见解。潜在的应用领域包括任何需要可预测的非灾难性失效裕度的安全关键复合结构。

亮点

• 用于薄层伪延性复合材料的纤维束单元模型。
• 应变分辨的应力-应变预测（RMSE 3.06%，R2 0.9894）。
• 能够捕捉复杂的统计分散性和失效相关性。
• 用于快速可靠性分析的封闭形式预期应力及方差表达式。
• 基于概率的设计准则，确保材料表现出伪延性响应。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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