复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究

由于复合材料层合板在制作加工过程中会产生初始的微裂纹,且复合材料具有各向异性的力学特征,因此在承载条件下,这些微裂纹可能在黏结面上及在层与层之间发生、扩展、发展成宏观层间裂纹,最终导致结构的破坏.本文对复合材料层合板试验件进行了拉伸试验,提出了一种复合材料层合板分层建模方法,利用这种方法对一组试验件进行了单向拉伸荷载作用下极限承载力的研究,得出其分层扩展的位置及层间应力分布规律,将试验结果与数值模拟结果进行了对比,论证了分层建模方法对分析复合材料层合板分层裂纹扩展问题的可行性与适用性.     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

缝合复合材料层合板拉伸疲劳损伤及其机理

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.      

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.     

含铺层拼接层合板的剪切强度

对含铺层拼接的碳纤维增强树脂基复合材料层合板进行了剪切强度实验研究.从三种不同铺层拼接角层合板上切取含缺口的剪切试件,通过实验测定了其载荷-位移曲线,得到了剪切强度值.实验结果表明,三组试件的剪切强度基本相同,即拼接层角度改变几乎不会引起层合板的剪切强度发生明显变化.采用有限元软件ABAQUS6.5对实验过程进行模拟,得到拼接层角度改变将引起拼接层中0°层出现切应力集中,但沿缺口切应力的平均值几乎不变.这也说明拼接层角度的变化几乎不影响层合板的剪切强度.     

错位铺层拼接层合板承载机制的试验与模拟研究

针对具有特殊细观结构的非均匀连续复合材料--错位铺层拼接层合板,测定了其拉伸强度和刚度,并观测了其断口破坏特征和表面铺层的应变分布;基于细观结构,建立了包含基体损伤演化的三维有限元模型,并进行数值模拟分析,研究了材料的传力和破坏机理。结果表明：铺层间断使断点附近及相邻层受间断影响处形成了局部高应变梯度,断裂模式为基体剪切破坏;铺层间断点处的载荷通过基体承剪的方式传递,远离间断点处则仍靠纤维传载;随着断点间距(在3mm~9mm范围内变化)的增大,强度和刚度逐渐增加,但幅度不超过1.4%和3.3%。     

含分层损伤复合材料层合板的压缩强度研究

给出了基于一阶剪切变形理论的含分层损伤层合板有限元分析模型,将含分层损伤层合板在压缩载荷作用下的强度破坏分析和屈曲破坏分析统一起来。先区分其破坏形式,然后再进行具体破坏分析,在屈曲特性分析中考虑了铺层强度破坏引起的刚度折减的影响,数值结果表明,该文给出的方法和结论对含分层损伤复合材料层合板的设计更具参考价值。     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩破坏仿真

对ANSYS软件平台进行了二次开发，建立了平面编织混杂铺层层合板损伤累积有限元模 型，对含孔平面编织混杂铺层层合板的压缩破坏行为进行了仿真计算. 研究结果表明，所建 模型能够较好地仿真含孔平面编织层合板的损伤破坏过程，并能准确预测层合板的 损伤类型、损伤扩展以及破坏强度；同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判 据和衰减准则. 该模型所给结果形象直观，适合工程应用.     

聚氯乙烯复合断裂性能研究

从弹塑性断裂力学理论出发,进行了硬质聚氯乙烯材料多角度下的Ⅰ/Ⅱ复合断裂试验,研究硬质聚氯乙烯材料复合断裂性能.利用数字图像相关技术,计算复合裂纹稳定扩展的临界裂纹尖端张开角值(ΨC1),尝试用该值作为一种断裂参数来描述硬质聚氯乙烯材料的断裂韧性.结果表明:(1)此材料与常见的金属材料不同,Ⅱ型加载模式下承载能力最大,纯Ⅰ型时承载能力最小;(2)当裂纹稳定扩展时,ΨC1值趋于稳定.故临界裂纹尖端张开角可作为硬质聚氯乙烯材料裂纹稳定扩展的断裂韧性.