3D打印CFRP-Ⅰ型层间断裂韧性的断层替换测试法及参数化分析

为实现3D打印碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)Ⅰ型层间断裂韧性的测试分析,并量化评价打印参数对该型断裂韧性的影响规律,推进3D打印CFRP技术在桥梁工程中的应用,分别从试验及仿真角度开展了相关探索。首先,提出了一种新型的3D打印CFRP层间预制裂纹制备方法-断层替换法,利用该方法开展了系统性的试验研究,分析了两类关键打印参数对Ⅰ型层间断裂韧性的影响规律。其次,基于内聚区理论及surface-based cohesive关系,构建了各类打印工况下的预制裂纹试件双悬臂梁(double cantilever beam,DCB)试验的仿真模型,并完成了仿真计算与试验测试的对比分析。结果表明:3D打印CFRP的Ⅰ型层间断裂韧性随着打印温度及速度的提高而增大,且打印温度对断裂韧性的影响更显著,当温度由245℃升至285℃时,断裂韧性提高了294.6%;当速度由20 mm/s增至60 mm/s时,断裂韧性提高了27.6%;当打印温度与速度提高时,试件在打印过程中热量散失更小,Ⅰ型层间力学性能得到提高;但当打印速度过大时,印材在打印过程中无法完全沉积并实现较好的黏结,反而对Ⅰ型层间力学性能造成负面影响。同时,仿真结果与试验数据的相对误差均控制在15%以内,表明提出的断层替换法在I型层间断裂韧性试验数据获取方面是合理且稳定的。因此,该方法可为后续量化评价3D打印CFRP桥梁工程构件的层间力学性能提供试验技术支撑。