本文關(guān)鍵詞：泡沫夾芯復(fù)合材料界面斷裂機理和增韌研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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泡沫夾芯復(fù)合材料界面斷裂機理和增韌研究

  評論:0 條   查看:104 次   gqgmzhang 發(fā)表于 2015-12-19 19:22

【摘要】： 泡沫夾芯復(fù)合材料不僅具有彎曲剛度高、輕質(zhì)的力學(xué)特點,同時擁有隔音、吸能、熱控制等獨特的功能性,已被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、交通運輸和建筑等工程結(jié)構(gòu)中成為極具發(fā)展前景的新型功能結(jié)構(gòu)材料之一。然而,由于面板和芯體材料性能的失配特征,在制造成型和服役期間,在其芯體和面/芯界面將不可避免地出現(xiàn)裂紋和損傷等缺陷,從而降低了其承載能力。鑒于此,本論文將從宏觀和細觀層次,分別對泡沫芯體和面/芯界面裂紋的起裂特性及擴展行為開展了較為深入的研究,并在此基礎(chǔ)上,通過實驗和機理研究論證了采用短纖維增韌界面的可行性。該項研究是屬于國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973計劃課題“超輕多孔材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計優(yōu)化新理論”(2006CB601205)、國家自然科學(xué)基金面上項目“夾芯復(fù)合材料界面裂紋動態(tài)起裂和擴展機理的跨尺度研究”(10672027)和國家自然科學(xué)基金重點項目“面向近空間飛行器的多功能超輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化理論”(90816025)子課題的重要研究內(nèi)容之一,另外,還受到基金項目(10702012)的資助。論文主要研究工作如下： 1.基于泡沫材料細觀孔洞的非均勻性的非線性斷裂行為研究 金屬或聚合物泡沫是夾芯復(fù)合材料常用的芯體材料。由于其細觀上孔洞不均勻性,在宏觀上不僅表現(xiàn)為塑性可壓縮性,同時屈服應(yīng)變和失效強度亦將呈現(xiàn)隨機分布的特征。為了研究其隨機分布特征對泡沫材料非線性斷裂特性的影響,本文分別建立了屈服應(yīng)變和最大內(nèi)聚力的Weibull隨機分布函數(shù)表達式,將靜水壓力的影響引入到連續(xù)本構(gòu)模型,得到了宏觀尺度上的泡沫材料本構(gòu)關(guān)系。并采用有限元法研究了泡沫材料的非線性斷裂參數(shù)J積分的統(tǒng)計特性,通過典型算例討論了Weibull隨機分布參數(shù)對本構(gòu)關(guān)系和J積分值的影響,得到了泡沫材料相對密度與J積分值的變化規(guī)律。 2.考慮面/芯界面黏彈性層特征的復(fù)合材料夾芯梁的界面裂紋的起裂分析和擴展研究 (1)目前對夾芯復(fù)合材料界面斷裂的研究,大部分研究工作者是將夾芯復(fù)合材料視為一種由面板和芯體組成的雙材料體系,其面/芯界面可簡化為一種無厚度的理想界面。然而,在某些情況下,這種簡化界面模型在研究具有黏彈性性質(zhì)膠接界面的夾芯復(fù)合材料界面斷裂問題時是不夠精確的。在本文中,作者提出了一種考慮界面相的三相介質(zhì)夾芯材料斷裂分析模型,采用三參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)固體材料模型表征界面相的黏彈性性質(zhì),并考慮了界面相的幾何特征�；谟邢拊ǚ謩e研究準(zhǔn)靜態(tài)和不同加載速率下夾芯復(fù)合材料黏彈性界面的斷裂特征參數(shù)J積分。由典型算例結(jié)果,討論了界面黏彈性性質(zhì)、幾何特征和加載速率對J積分值的影響。 (2)傳統(tǒng)的內(nèi)聚區(qū)模型結(jié)合了損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)分析模型的各自特點,同時,裂紋擴展時網(wǎng)格不需要重構(gòu),分析精度對網(wǎng)格密度不敏感等一系列優(yōu)點,已廣泛的應(yīng)用于界面裂紋擴展模擬中。但是目前的常用的內(nèi)聚區(qū)模型只考慮了內(nèi)聚區(qū)內(nèi)相對位移的影響,不能正確反映具有黏彈性性質(zhì)的夾芯復(fù)合材料面／芯界面裂紋擴展時與加載速率的相關(guān)性。作者基于黏彈性理論,將傳統(tǒng)的內(nèi)聚區(qū)模型與不同的黏彈性元件相結(jié)合,構(gòu)造了率相關(guān)的黏彈性內(nèi)聚區(qū)模型,討論了加載速率對內(nèi)聚區(qū)能量和內(nèi)聚力的影響。通過典型算例,探討了該模型的適用范圍和影響參數(shù)。 3.具有短纖維增韌的復(fù)合材料夾芯梁界面斷裂實驗和機理研究 夾芯復(fù)合材料面／芯界面增韌研究是一項具有理論和工程價值的課題,而目前在國內(nèi)外有關(guān)夾芯復(fù)合材料界面增韌的實驗和多尺度理論機理的研究其公開報道還鮮見。本文采用真空輔助樹脂注射工藝制成了含短纖維增韌與未增韌的復(fù)合材料夾芯梁,并測定相應(yīng)的界面斷裂韌性。在細觀尺度上,研究了單根短纖維在界面裂紋擴展時其剝離和拔出過程產(chǎn)生的能量耗散；通過引入短纖維在界面內(nèi)隨機均勻分布的假定,得到了在單位面積下短纖維能量耗散的宏觀表達式。而在宏觀尺度上,建立了用于界面裂紋擴展分析的雙懸臂梁有限元模型,并在界面上引入非線性彈簧單元,以反映界面短纖維所產(chǎn)生的橋聯(lián)特征,采用了虛裂紋閉合技術(shù)計算了裂紋尖端的能量釋放率。通過典型算例對復(fù)合材料夾芯梁的界面斷裂進行了數(shù)值模擬,并討論了細觀參數(shù)對界面斷裂韌性的影響。研究結(jié)果表明：在復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)界面中引入短纖維是一種提高其界面斷裂韌性的有效措施。 本論文所提出的分析模型、理論、方法和所得到的結(jié)論將對夾芯復(fù)合材料的界面失效和增韌機理的研究具有科學(xué)價值。

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