损伤对层合板分层尖端场的影响及层间强韧化分析

论文摘要

纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度大和材料性能可设计等一系列优点,因此复合材料,特别是纤维增强树脂基层合复合材料,在航空、航天等高科技领域得到越来越广泛的应用。大量的试验和观察发现纤维增强复合材料层合板中基体微裂纹是最早发生的一类损伤,应力集中区的高应力、高应变更容易引发基体微裂纹损伤,而微裂纹损伤的出现,会引起层板刚度下降,从而影响层合板的性能。另外,分层也是复合材料层合板破坏的主要形式,它导致结构承载能力明显降低,成为层合板使用中的主要隐患,因此,研究分层裂尖场的特征和提高层合板的抗分层能力具有重要的意义和应用价值。本文的主要工作分为两方面,首先研究了微裂纹损伤及其演化对分层尖端场、能量释放率和失效行为的影响。其次用解析法研究了短纤维层间增韧—这一新的增韧方法的增韧机理和主要参数的影响,得到了一些有意义的结论。基于连续介质损伤力学,本文采用多标量损伤变量来描述复合材料基体微裂纹损伤,将单层板的实验结果推广到复杂应力状态,认为损伤的演化仅依赖于材料主方向的应变,从而得到全量形式的损伤演化方程。损伤模型中考虑了准脆性材料的应变软化特征,分别采用了四种软化参数,来分析应变软化的影响。对于含贯穿分层裂纹的层合板,为了研究基体微裂纹损伤对分层裂尖场的影响,将复合材料层板简化为平面应变问题,利用虚功原理推导了全量形式的平衡方程和增量迭代方程,考虑几何非线性和损伤引起的物理非线性,编制了FORTRAN程序,用于分析损伤及损伤参数对分层尖端场奇异性的影响、层合板发生局部屈曲后裂尖能量释放率的变化以及极限损伤区的扩展。研究表明微裂纹损伤使分层尖端应力的奇异性指数降低；损伤和应变软化使裂尖的能量释放率不再随载荷单调增加,而出现波动,已经难以反映分层特征；极限损伤区域的扩展受软化参数的影响,扩展方向受铺层方式的影响。为了研究微裂纹损伤对复合材料层合板强度的影响,本文利用基于修正的一阶剪切理论建立的一种拟协调复合材料层合板单元,考虑单层板破坏前由微裂纹损伤引起的刚度下降,利用Hoffman准则对含孔层合板在单向拉伸载荷下和方板在均布载荷作用下的破坏过程进行了数值分析,并与不考虑损伤演化的分析结果进行了比较。结果表明损伤演化影响复合材料层合板的破坏过程,单层板破坏前的损伤演化使应力向未损伤单元转移,使应力集中得到缓解,单层破坏延迟。对于正交铺设的层合板可使极限破坏载荷明显提高。常见的各种层间增韧方法如：改善基体增韧、层间加入韧性胶膜、层间加入韧性颗粒,缝纫技术等,虽然都能有效改善层间韧性,但有的方法工艺复杂,有的方法引起面内性能的降低。相比之下,一种新的增韧方式—层间短纤维增韧具有工艺简单,增韧效果明显,而且对面内性能影响小等特点,具有很大的发展前景。本文采用解析法对层间短纤维增韧的机理进行了研究,建立了适于层间浅埋纤维桥联分析的计算模型。分析了Ⅰ、Ⅱ型裂纹扩展过程中桥联纤维的脱粘和拔出过程,讨论了纤维弹性模量、桥联纤维密度和纤维基体界面参数(如：基体与短纤维界面强度、脱粘后界面摩擦力等)对分层韧性的影响,对增韧效果作出了预测。结果表明：桥联纤维从基体中的拔出过程消耗较多的能量,是层间韧性增加的主要因素；高弹性模量纤维的增韧效果优于低模量纤维；界面强度对增韧效果影响不大；脱粘后中等摩擦力界面的增韧效果最佳。另外,层间短纤维中有一部分位于界面层的中部,不参与桥联,但这部分纤维在其它桥联纤维的拔出过程中起到了干扰作用,而这种干扰作用是不能忽视的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 层合复合材料的特点
• 1.1.1 层合复合材料及结构
• 1.1.2 层合复合材料结构的特点和存在的问题
• 1.2 层合复合材料的损伤破坏模式及主要研究方法
• 1.2.1 复合材料层合结构的主要破坏类型
• 1.2.2 层合复合材料损伤破坏的研究方法
• 1.3 分层前缘场损伤力学研究
• 1.3.1 复合材料分层研究
• 1.3.2 分层尖端场的应力奇异性和能量释放率
• 1.4 纤维增强复合材料层合板层间韧性的改善
• 1.4.1 改善基体韧性
• 1.4.2 层间插入韧性薄膜
• 1.4.3 层间加入韧性增强粒子
• 1.4.4 应用缝纫技术
• 1.4.5 层间加入短纤维
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 损伤力学基本理论
• 2.1 热力学的基本守恒定律
• 2.2 热力学第一定律
• 2.2.1 热力学第二定律
• 2.3 不可逆热力学在损伤理论中的应用
• 2.3.1 热力学第一定律的应用
• 2.3.2 热力学第二定律的应用
• 2.4 损伤的力学表示——损伤变量
• 2.4.1 标量损伤变量
• 2.4.2 二阶损伤张量
• 2.5 有效应力
• 2.5.1 有效应力概念
• 2.6 有效应力概念的推广及其对称化
• 2.7 损伤力学中的等效假设及其应用
• 2.7.1 应变等效原理及应用
• 2.7.2 能量等效假设及其应用
• 2.8 纤维增强复合材料损伤模型
• 2.8.1 双标量弹性损伤模型
• 2.8.2 多标量弹塑性损伤模型
• 2.8.3 弹脆性损伤模型
• 2.8.4 讨论
• 2.9 本章小结
• 第3章 损伤对层间裂纹场奇异性的影响
• 3.1 裂尖奇异性概念及研究方法
• 3.1.1 线弹性裂尖场
• 3.1.2 非线性弹性体裂尖应力场和奇异性
• 3.1.3 各向同性材料损伤裂尖场及奇异性
• 3.2 复合材料微裂纹损伤模型及损伤本构关系
• 3.2.1 损伤模型及损伤演化方程
• 3.2.2 平面应变状态下的损伤本构关系
• 3.3 复合材料分层尖端场奇异性有限元分析
• 3.3.1 裂尖奇异性有限元分析方法
• 3.3.2 含损伤的复合材料层板层间裂纹尖端场奇异性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 应变软化复合材料层板分层研究
• 4.1 纤维/树脂复合材料的研究
• 4.2 纤维增强复合材料应变软化模型
• 4.3 能量释放率分析
• 4.4 含分层复合材料层板的非线性后屈曲
• 4.4.1 修正的反幂法求临界载荷和分层后屈曲分析
• 4.4.2 算例及结果分析
• 4.5 本章结论
• 第5章 复合材料层板损伤失效分析
• 5.1 复合材料单层板的损伤失效准则
• 5.1.1 复合材料单层板的常用破坏准则
• 5.1.2 复合材料的损伤破坏准则
• 5.2 复合材料层合板的损伤刚度矩阵
• 5.2.1 无损层合板刚度系数
• 5.2.2 层合板的损伤刚度矩阵
• 5.3 微裂纹损伤对层合板强度的影响
• 5.4 本章结论
• 第6章 层间短纤维的桥联和增韧分析
• 6.1 短纤维层间增韧试验
• 6.1.1 Ⅰ型层间短纤维准静态分层试验
• 6.1.2 Ⅱ型层间短纤维准静态分层试验
• 6.2 层间短纤维Ⅰ型桥联模型及增韧机理
• 6.2.1 问题的特点和分析途径
• 6.2.2 基本假设和基本方程
• 6.2.3 剥离临界力的确定
• 6.2.4 近裂纹面纤维脱粘和纤维拔出的解析法
• 6.2.5 近裂纹表面纤维脱粘和拔出有限元验证
• 6.2.6 Ⅰ型桥联增韧分析与结果
• 6.3 层间短纤维的Ⅱ型分层桥联和增韧分析
• 6.3.1 单根纤维变形与平衡
• 6.3.2 基体剥离及纤维脱粘和拉出
• 6.3.3 基本方程
• 6.3.4 Ⅱ型桥联增韧算例分析及结果
• 6.4 本章结论
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文和待发表的论文
• 附录2 作者简介