三維（3D）針刺是一種高效且成本效益高的織物預浸料制造技術[1]、[2]。利用針刺技術可以生產大尺寸和復雜形狀的纖維增強體，在復合材料領域具有廣泛的應用潛力[3]、[4]、[5]。由于其優異的機械性能，針刺復合材料已廣泛應用于航空航天、汽車制造和國防領域[3]、[4]、[5]。復合材料的機械性能在很大程度上取決于預浸料的纖維結構。通過在針刺過程中沿厚度方向引入針刺纖維束，可以提高三維針刺預浸料的層間強度。這些纖維束與織物層之間的粘結強度被認為是決定其層間機械性能的關鍵因素。因此，深入研究三維針刺預浸料的層間剝離行為對于提升其機械性能具有重要意義。

三維針刺復合材料具有出色的整體性能和優異的設計靈活性，使其結構和性能成為長期研究的重點。Ishikawa [6]、[7] 使用X射線計算機斷層掃描分析了針刺非織造織物的纖維結構，并研究了針刺條件、拉伸性能和結構參數之間的關系。Li [8] 和 Niu [9] 利用原位X射線計算機斷層掃描觀察了三維針刺復合材料在拉伸載荷下的損傷演變和斷裂行為。他們的研究表明，裂紋起源于原始微孔。Liang [10] 采用雙切口剪切試驗方法對針刺復合材料進行了層間剪切試驗，研究了剪切應力-應變響應和剪切應變場的演變。Jabbar [11] 和 Martínez-Hergueta [12] 實驗證明，與針刺非織造織物層疊的復合材料具有優異的抗沖擊性能。Yao [13] 使用無氈針刺技術制備了高性能針刺織物，然后對其層間剝離和平面拉伸性能進行了實驗研究。Yao [14]、[15] 對無氈針刺復合材料進行了拉伸、彎曲和層間剪切試驗，結果表明無氈針刺復合材料在層間剪切強度、平面拉伸性能和彎曲性能方面明顯優于常見的氈/基布針刺復合材料。Guo [16] 基于短纖維針刺技術制備了高纖維體積分數的針刺復合材料，其在拉伸和層間性能方面均有顯著提升。

針刺過程引起的復雜纖維結構使得針刺織物的建模變得具有挑戰性。因此，大多數研究簡化了材料結構以開發針刺復合材料的模型。Yu [17] 和 Niu [9] 使用微CT技術提取了經紗、緯紗和針刺纖維束的輪廓，然后開發了針刺復合材料的微觀有限元模型。該模型揭示了針刺復合材料的微觀結構特征和缺陷，揭示了材料的斷裂機制。然而，基于CT的模型的準確性受到CT圖像質量和CT掃描樣本選擇的限制。Chen [18]、[19] 通過實驗和數值方法研究了針刺復合材料的I型和第二型層間力學行為，并揭示了層間失效機制。Liu [20] 提出了一種新的“介觀”級模擬方法，用于模擬針刺碳纖維復合材料的層間剪切行為。該模型能夠很好地預測復合材料的層間剪切載荷-位移曲線和損傷演變。Zhou [21]、[22] 使用圓弧梁元素和擴展彈簧元素開發了三維針刺C/C復合材料的介觀模型。通過將拉伸、壓縮和彎曲試驗結果與模擬結果進行比較，驗證了該力學模型的有效性。考慮到針刺復合材料的復雜幾何特性，Lim [23] 和 Zhang [24] 建立了一個多尺度有限元模型，用于預測三維針刺C/C-SiC復合材料的機械性能。該多尺度模型通過靜態拉伸、剪切和彎曲試驗以及斷裂微觀結構得到了驗證。

近年來，在三維針刺預浸料的建模方法方面取得了顯著進展。Song [25] 使用纖維位移方法建立了三維短纖維針刺氈模型。該模型成功捕捉了纖維氈的微觀幾何特征，但計算資源消耗較大。Qiao [26] 使用數字元素方法重建了三維針刺預浸料模型，并考慮了多種針刺方向。在此基礎上，為針刺斜紋復合材料開發了一個周期性單元格模型，并有效預測了其機械性能。Xie [27]、[28] 使用虛擬纖維建模方法再現了織物的針刺過程，建立了三維針刺預浸料的微觀幾何模型。此外，還開發了一種基于廣義梁元素的新型虛擬纖維模型[29]，其中考慮了碳纖維的低彎曲剛度。構建了三維針刺非織造預浸料模型，并對其壓縮行為進行了模擬。該高保真模型準確捕捉了預浸料的微觀幾何變形，并有效預測了其機械響應曲線。然而，由于計算效率的限制，纖維尺度模型僅適用于小型預浸料的建模和機械行為模擬。此外，目前缺乏有效的三維針刺非織造預浸料層間剝離行為建模方法，其背后的機制仍不清楚。

本研究開發了一種新的建模方法，以填補預測三維針刺預浸料剝離行為的空白。通過結合織物層和厚度方向針刺纖維束的機械性能，首次實現了對三維針刺非織造預浸料剝離和損傷演變的高精度模擬。該模型的關鍵創新在于一種混合有限元框架，它將基于連續體的殼單元（代表織物層）與離散的桁架單元（代表針刺纖維束）戰略性地結合在一起，從而能夠高效且機制性地模擬主要的剝離過程。所提出的建模方法和模型的可靠性通過實驗結果得到了驗證。所有模型參數都是從獨立的機械測試中確定的——織物層的彎曲測試和纖維束的拔出測試。此外，通過數值模擬建立了針刺密度與針刺預浸料抗剝離性能之間的理論關聯。