层间脱层 — CAE术语解说

复合材料的叠层板中层与层之间的粘合面（树脂基体）发生脱层的现象。碳纤维强度高，但层间方向的树脂强度低，当层间剪切应力或层间拉伸应力超过材料的断裂韧性GIC时，脱层就会开始。FEM分析方法主要有两种——①内聚区模型（CZM: Cohesive Zone Model）：用特殊的内聚单元（牵引-分离律）对脱层界面进行建模。②虚拟裂纹闭合积分法（VCCT: Virtual Crack Closure Technique）：从FEM结果计算能量释放率G，然后与断裂韧性进行比较。

内聚单元是厚度为零的特殊单元，用牵引（面力）与开口变位的关系（T-S律）来表达破坏。典型的形式是T = (初始刚度)*delta（开口前）→ T_max（最大牵引）→ GIC消耗时软化→0（完全脱层）呈双线性形状。特性由T_max和面积GIC这两个参数决定——这些参数从DCB试验（Mode I）或ENF试验（Mode II）中获取。Abaqus的内聚单元（COH2D4、COH3D8）或PAM-CRASH/LS-DYNA的界面单元都实现了这一功能。

在使用CFRP的结构中始终存在这种风险。①飞机机翼蒙皮——鸟撞或冲击导致内部层间脱层以不可见的形式发生（Barely Visible Impact Damage: BVID）。②汽车CFRP车顶板——成形时的残余应力或使用中的热循环导致脱层扩展。③风力发电叶片——疲劳荷载使根部脱层成为寿命限制因素。航空应用中有义务用FEM脱层分析来验证"虽然发生脱层但残余强度仍满足规定值"这一损伤容限设计。

VCCT适用于"裂纹尖端已存在"的情况进行能量释放率评估——从既有的裂纹长度计算G来判断破坏是否进行。CZM适用于"不知道脱层从哪里开始"的情况——在整个界面配置内聚单元，使脱层自然发生。实际应用中常见的选择是"如果裂纹路径已知就用VCCT（计算稳定、速度快），如果包括裂纹发生位置也要分析就用CZM"。在CFRP有限元分析中，在层间夹入薄的内聚单元的建模方式是目前标准的做法。