复合材料正交叠层板最终拉伸强度的细观统计分析

本文对复合材料正交叠层板［０／９０／０］的最终拉伸破坏行为进行了研究．首先，提出一种修正的剪滞分析方法，求解叠层中由９０°层的基体开裂和０°层的部分纤维断裂相互作用所导致的应力重新分布；然后，采用随机临界核统计模型，对叠层板的最终破坏进行了细观统计分析．对［Ｏ＿２／９０＿ｍ］＿ｓ、［Ｏ＿４／９０＿ｍ］＿ｓ碳／环氧和［Ｏ＿４／９０＿ｍ］＿ｓ玻璃／环氧的计算结果表明，估计的最终拉伸强度与现有的实验结果有较好的符合．     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究

对缝纫复合材料单向板在单向拉伸载荷作用下的面内力学性能进行试验研究,给出了缝纫密度、缝纫线直径对复合材料单向板面内拉伸强度的影响规律.研究发现复合材料的破坏模式与缝纫密度有关,对于中低密度缝纫的单向板其破坏模式为纤维断裂,而对于高密度缝纫的单向板其破坏模式为复合材料撕裂破坏.并从复合材料细观结构层次上揭示了破坏模式和拉伸强度与缝纫密度之间的内在关系.     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂角的分层剪滞模型与分析

采用修正的剪滞理论建立了岩石、混凝土等准脆性材料的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下的计算模型.得到了与实验相吻合且优于传统S判据的断裂角.通过对远场应力、斜裂缝区应力以及子层位秽的合理简化,得到了求解剪滞分析模型的边界条件,进而得到了含斜裂缝的各子层位移分布函数.引入最大应力集中因子,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝前缘应力场进行简化;基于斜裂缝沿最大应力集中因子方向扩展,得到裂缝的断裂角.根据斜裂缝的应力分布,设置不同的子层分区,得到了更为细化的位移分布模式.通过对计算数据的分析,针对单向拉伸荷载作用下的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝,建立了按应力场分区设置子层的分层剪滞模型,得到更为精确的斜裂缝断裂角.     

复合材料叠层板单向拉压强度分析

1. 前言复合材料叠层板是一种非均匀的各向异性材料,其铺层方式及顺序可按外载的需要进行设计,因此每种叠层板的强度特性是不同的。进行复合材料结构的强度分析时,需要知道叠层板元件的强度特性。这些特性可以从试验获得,但如能在给定单向层板特性的基础上,用计算的方法较准确的算出各种叠层元件的强度特性,这将给结构设计及分析带来很大的方便。叠层板是由很多正交各向异性的单层(lamina)按各种不同的方法叠压而成,因此,叠层板本身就是一个复杂的“结构”,加之它的破坏是个逐级破坏的过程,破坏机理又比较     

复合材料单层的横向拉伸原地强度和0°/90°/O°叠层板张开型裂纹经典解的研究

本文:(1)用傅立叶变换和Copson的对偶积分方程法,求得了0°/90°/0°叠层板90°层内张开型裂纹问题的经典解;(2)应用所得解,对石墨/环氧叠层板中90°层的断裂特性和横向拉伸原地强度进行了定量研究。 结果表明,这类叠层板的应力强度因子不同于90°的单向层,它随0°层的厚度b、模量E_L或G_(LT)的增加而减小,也随90°层的厚度减小而减小,这就导致了叠层效应,并提高了90°层的横向原地强度。这里的理论计算与D.L.Flaggs的试验结果一致。     

用蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程

通过采用改进的剪滞模型，假定界面不发生破坏，求得不同基体纤维刚度比μ（μ＝ＥｍＶｍ／ＥｆＶｆ）不同基体韧性情况下断裂纤维附近的应力集中系数，然后通过蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程，比较若干情况下复合材料的拉伸强度，找出提高复合材料拉伸强度的方法。     

I-II复合型裂缝断裂角的分层剪滞模型与分析

采用修正的剪滞理论建立了岩石、混凝土等准脆性材料的I-II复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下的计算模型,得到了与实验相吻合且优于传统S判据的断裂角。通过对远场应力、斜裂缝区应力以及子层位移的合理简化,得到了求解剪滞分析模型的边界条件,进而得到了含斜裂缝的各子层位移分布函数。引入最大应力集中因子,对I-II复合型裂缝前缘应力场进行简化;基于斜裂缝沿最大应力集中因子方向扩展,得到裂缝的断裂角。根据斜裂缝的应力分布,设置不同的子层分区,得到了更为细化的位移分布模式。通过对计算数据的分析,针对单向拉伸荷载作用下的I-II复合型裂缝,建立了按应力场分区设置子层的分层剪滞模型,得到更为精确的斜裂缝断裂角。     

基于纤维随机分布的单向复合材料拉伸破坏过程模拟

单向复合材料的极限拉伸强度受纤维强度变化和纤维随机分布的影响。本文提出了一种合理的纤维随机分布假设,并以此建立了剪滞数值模型。利用蒙特卡罗模拟方法结合现有模型分析了单向复合材料的拉伸失效过程,得到极限拉伸强度。与文献模型相比较的结果表明,本文的模型结果更理想。     

单向纤维增强复合材料的载荷集中因子和裂纹扩展统计理论

本文对单向纤维增强复合材料裂纹扩展统计理论的两个主要论据进行了研究.1.由于纤维断裂引起的应力重分布的计算:文中采用通常的剪滞模型,进行了弹塑性形变理论分析和弹性分析,弹性分析的结果与已有的J.M.Hedgepeth 的结果相符.2.裂纹扩展模型的探索:这里舍弃沿用Gücer-Gurland.Rosen 链式模型,提出了逐渐扩大断裂层的模型,参照A.S.Argon 等人的方法进行了统计分析,得到了单向纤维增强复合材料拉伸强度的计算公式.     

单向复合材料纤维断裂对局部应力集中的影响

本文采用剪切滞后理论，对单向辅设的增强复合材料中，纤维根数有限时纤维断裂所引起的局部应力集中的进行研究，确证了以往研究中假定纤维无限根的可行性，并定量展示了在断裂纤维和邻近纤维中的应力重分布。     

A shear-lag model for three-dimensional,unidirectional multilayered structures

A shear-lag model is derived for unidirectional multilayered structures whose constituents vary throughout the cross-section through the extension of an existing optimal shear-lag model suitable for two-dimensional planar structures. Solution algorithms for a variety of boundary conditions are discussed. Numerical predictions for a single-fiber composite and a unidirectional laminated composite are presented. Comparison of the predicted interfacial shear stresses and average normal stresses to finite element analysis demonstrates that this shear-lag model can be used to rapidly estimate the average normal stress distribution in the various constituents, although the interfacial shear stresses are less accurate. Possible applications and limitations of the new model are finally discussed.     

Fatigue damage in centrally notched GR/EP laminates

The fatigue properties of graphite/epoxy (Gr/Ep) T300/5208 composite laminates of 16 plies with a central circular hole subjected to tension-tension (T-T) constant-stress amplitudes at room temperature and low humidity have been fully investigated. Studied are four types of notched laminates which are classified as unidirectional, off-axis, orthotropic shear and quasi-isotropic. Some of them were precracked to initiate and guide the crack growth transversely. Our work is experimental and the analysis is based on a semiempirical approach. We have experimentally measured S-N curves, failure surfaces, crack lengths and their corresponding growth directions, delamination areas and transverse delamination lengths for the above series of composites. The fatigue failure mechanism was observed and expressed schematically. To analyze the experimental results, we have categorized the S-N curves by three common equations. The effective transverse crack length of quasi-isotropic laminates was found to be independent of the applied stress. For simplicity, it was modeled by a power law of applied cycles. It was also found that the delamination area could be expressed by a power law of applied cycles. Hence, the so-called modified Paris law, i.e., the power law of cycles, proposed here has been verified as satisfactorily acceptable.     

Shear-lag effect in CFRP I-beams under three-point bending

Shear-lag effect in CFRP (carbon-fiberreinforced plastic) I-beams is investigated by applying Reissner's method concerning box beams to CFRP I-beams. This modified beam theory (MBT) assumes that the flanges are orthotropic and includes the effect of the shearing rigidity of the web and the deformation of the flanges themselves. The anisotropy of the flanges causes the decrease of the flexural rigidity of I-beams. The decrease, however, is restrained by a preventive action on the shear-lag effect in the flanges with a decrease of the anisotropy ratio due to the selection of fiber orientation. In order to verify this MBT, I-beam structures were fabricated from carbon fiber and epoxy resin using three different lay-up schemes: unidirectional, quasi-isotropic, and a ±45-deg angle-ply. The stiffness and shear-lag effect of these I-beams were measured and compared with results from the composite beam theory and MBT. The theoretical load-deflection curves and the strain distributions agreed well with the corresponding experimental results.     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

一种FRP累积损伤模型及其在结构疲劳寿命估算中的应用

推荐了一种应变损伤累积模型，能够考虑单向板面内多轴应力和平均应力的影响。只需要单向板在确定应力比下的若干典型疲劳试验结果，就可以预测相同材料体系多向层压结构在不同应力比的循环载荷下的疲劳寿命，有助于降低试验成本和工作量。研究了适用于多向层压结构剩余强度估算和疲劳寿命预测的步骤和程序。针对碳纤维／树脂基T300／QY8911复合材料，试验测定了三组典型单轴循环应力（[0]16拉－拉、[90]16拉－拉和[0/90]4S剪－剪）下的S－N曲线。以此为输入，预测四种多向铺层板在各种拉－拉循环应力下的疲劳寿命，寿命预测结果和相应的试验结果吻合良好。采用了保持计算和试验的载荷／强度比相对等值的方法来近似抵消层合效应对疲劳寿命的影响。强调了进一步发展能够定量估计层间应力影响与分层扩展过程的疲劳损伤模型的重要性。     

缺口复合材料层合板疲劳性能的试验研究

对带各种缺口的复合材料层合板的疲劳性能进行了研究。设计了不同类型的制品试件,分别进行静态和疲劳试验。试验数据表明,缺口对复合材料的静强度和静刚度的影响不大,缺口试样的疲劳寿命带高于缺口试样,与金属材料相比,复合材料对缺口不敏感。采用条状试样获得的力学性能不参代表复合材料的真实性能,实现表明自由边的缺口对结构提高疲劳寿命是有利的。文中还对疲劳过程中复合材料的刚度变化进行了研究,对文中所研究的层合板,     

Three-dimensional microscopic interlaminar analysis of cross-ply laminates based on a homogenization theory

In this study, a method for three-dimensional microscopic interlaminar analysis of cross-ply laminates is developed based on a homogenization theory to analyze microscopic interactions between unidirectional long fiber-reinforced laminae. For this, a unit cell of a cross-ply laminate, which includes interlaminar areas, is defined under the assumption that each lamina in the laminate has a transversely square fiber array. Then, showing that the laminate has a point-symmetric internal structure, the symmetry is utilized to introduce half of the unit cell as the domain of analysis. Moreover, the domain of analysis is divided into substructures using a substructure method combined with the homogenization theory, significantly reducing the computational costs. The present method is then applied to the analysis of interlaminar stress distributions in a carbon fiber/epoxy cross-ply laminate subjected to in-plane uniaxial tension. It is shown that microscopic shear stress noticeably occurs at the interface between the 0°- and 90°-plies. It is also shown that the microscopic interaction between the two plies is observed only in the vicinity of the interface.