近期，华南农业大学的Wang Yaocheng通过多尺度建模结合数字图像相关技术（DIC）与有限元分析（FEA）的方法，系统研究了编织竹条及其环氧复合材料的损伤演化与拉伸性能预测。文章发表于国际知名期刊《Composites Part B》，该研究提出了一种多尺度渐进均匀化预测模型，实现了从细观结构到宏观性能的精准预测，为天然纤维复合材料设计提供了新的理论工具。
创新点：作者构建了跨尺度耦合的损伤分析框架，提出改进的混合法则模型，考虑有效纤维体积分数与编织结构特征，实现高精度力学性能预测（误差小于10%）。
作者首先系统分析了不同径向位置竹条构成的编织竹条（WBS）及其复合材料的拉伸性能差异。研究发现，竹材沿径向存在显著的结构梯度，外层竹条具有更高的维管束含量和更致密的组织结构，因此在拉伸过程中表现出更高的承载能力，其最大拉伸强度可达到330 MPa。而随着竹条位置由外向内过渡，维管束含量逐渐降低，组织结构趋于疏松，导致材料整体强度明显下降。此外，编织结构通过经纬交错的方式形成连续纤维网络，有效削弱了竹节等缺陷对力学性能的影响，同时增强了结构的整体性，使得材料在受载过程中表现出更稳定的应力响应和更高的损伤容限。
一种用于精准预测WBS/EP复合材料有效材料性能与拉伸响应的严谨多尺度建模框架
不同编织竹条及其复合材料的拉伸性能对比（强度、模量及应力-应变曲线）
通过对拉伸断口及加载过程的详细分析，研究进一步揭示了编织竹条在受力过程中的典型损伤模式。结果表明，材料破坏主要由纤维拔出和纤维断裂两种机制共同主导，并且随着竹条本身强度的降低，破坏模式逐渐由韧性主导的纤维拔出转变为以脆性断裂为主的破坏形式。同时，应力-位移曲线呈现出明显的阶梯状波动特征，说明在拉伸过程中不同竹条并非同时失效，而是经历了逐步断裂与载荷重新分配的过程。这种多阶段损伤机制使材料在初始破坏后仍具备一定的承载能力，体现出编织结构在延缓失效和提高安全裕度方面的优势。
编织竹条拉伸断裂形貌及损伤模式分析
宽幅梁结构的受拉工况：(a) 荷载分布工况，(b) 失效模式，以及 (c) 荷载-位移曲线
在复合材料层面，单层与多层编织结构表现出显著不同的损伤演化特征。对于单层复合材料，裂纹通常首先在环氧基体中萌生，并沿竹条与树脂界面扩展，伴随着界面脱粘、纤维断裂以及局部纤维拔出等多种损伤形式，最终形成复杂的断裂路径。而在多层复合材料中，由于层间结构的存在，裂纹在扩展过程中会发生明显的偏转和分叉，形成更加复杂的多尺度裂纹网络。这种裂纹路径的复杂化显著增加了裂纹扩展所需能量，从而提高了材料的抗断裂能力和整体韧性，表现出更优异的抗损伤性能。
单层复合材料断裂形貌及微观损伤机制（SEM分析）
为了深入理解材料的力学响应机制，本文构建了涵盖微观、细观与宏观尺度的多尺度有限元模型，对编织竹条的应力分布与损伤行为进行了系统模拟。结果表明，维管束作为主要承载单元，其形态和分布对载荷传递具有决定性影响。椭圆形维管束在受力时容易在端部形成应力集中，有利于载荷沿纤维方向高效传递，而复杂形态的维管束则会使应力分布更加均匀，但同时也提高了界面区域发生失效的风险。此外，随着维管束体积分数的降低，应力逐渐向基体区域扩散，导致整体力学性能下降。
多壁碳纳米管带的断裂面：(a1-e1) 正面表观图像，(a2-e2) 侧面表观图像，以及(f–j) 扫描电镜图像
不同维管束形态下的微观应力分布特征
在宏观尺度上，数值模拟结果揭示了编织竹条在拉伸过程中的典型损伤演化路径，可划分为线弹性阶段、初始损伤阶段、损伤扩展阶段以及最终失效阶段。在初始阶段，材料整体受力均匀，仅在经纬交叉区域出现局部应力集中；随着载荷增加，局部竹条开始发生断裂，进入损伤扩展阶段，并引发应力在剩余结构中的重新分布；最终，当损伤累积到一定程度后，材料整体失效，承载能力迅速下降。模拟结果与实验数据高度一致，验证了所构建模型在描述复杂编织结构力学行为方面的有效性和可靠性。
编织竹条拉伸过程中的应力分布与损伤演化过程
此外，研究结合数字图像相关技术对复合材料在拉伸过程中的全场应变分布进行了分析。结果显示，应变场具有明显的方向性特征，主要沿编织结构方向分布，裂纹往往优先在应变集中区域萌生，并沿剪切带方向扩展。在单层复合材料中，应变集中区域较为明显且分布范围较广，而多层复合材料由于层间结构的调节作用，应变分布更加均匀，表面应变显著降低。这表明多层结构能够有效分散局部应力集中，延缓裂纹扩展，从而提高材料的整体损伤容限和服役性能。
宏观应力分布
基于DIC的复合材料全场应变分布及损伤演化
该研究从多尺度角度系统揭示了编织竹条及其复合材料的损伤机制与力学行为，构建了实验与仿真相结合的分析框架。研究表明，竹材内部维管束结构及其空间分布是决定材料性能的关键因素，编织结构和层间设计可显著提升材料的抗损伤能力。同时，提出的改进混合法则模型有效提升了拉伸性能预测精度，为天然纤维复合材料的结构设计与工程应用提供了重要理论支撑和技术路径。
原始文献：Wang Y C, Luo H F, Chen C F, Zhang Y L, Fan Q, Hao X L, Li L P, Guo C G, Ou R X, Wang Q W. Hierarchical damage mechanisms and multiscale tensile property prediction of woven bamboo strips and their epoxy-based composites[J]. Composites Part B, 2026, 310: 113170.
