【摘要】：先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料由于較高的比強(qiáng)度、比剛度和剛度可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),在航空航天等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。層合板是最為常用的復(fù)合材料構(gòu)型之一,但是由于較弱的層間性能,分層成為其主要的失效形式。數(shù)值模擬作為研究分層的一種重要手段,提高其客觀性和易用性一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。目前的分層數(shù)值模擬多集中于單向?qū)雍习?而工程中常用的是多向?qū)雍习?準(zhǔn)確模擬多向?qū)雍习宸謱訑U(kuò)展行為更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。不同于單向?qū)雍习?多向?qū)雍习宸謱訑U(kuò)展的過程中常常伴隨著大量的纖維橋接,導(dǎo)致分層擴(kuò)展阻力顯著增加,表現(xiàn)為典型的R曲線特征。在考慮纖維橋接的增韌機(jī)理對多向?qū)雍习宸謱訑U(kuò)展行為影響的基礎(chǔ)上,本文開展了T700/QY9511材料體系多向?qū)雍习宸謱訑U(kuò)展的數(shù)值模擬研究,并取得了以下創(chuàng)新性研究成果:(1)從分層失效的微觀機(jī)理出發(fā),原創(chuàng)性地提出了一種物理意義明確、參數(shù)體系簡單的新型三線性內(nèi)聚力模型。模型不依賴于分層擴(kuò)展過程,將纖維橋接的增韌機(jī)理從本構(gòu)關(guān)系中引入,能夠準(zhǔn)確反映層間纖維橋接區(qū)域的應(yīng)力分布,進(jìn)而揭示分層擴(kuò)展阻力的形成機(jī)制。(2)開發(fā)了三線性本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值程序,并對應(yīng)用新型內(nèi)聚力模型研究分層問題的參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。分別基于二維和三維模型討論了通用建模參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系參數(shù),提出了合理的參數(shù)研究流程,確定了以強(qiáng)度為核心的參數(shù)體系。對T700/QY9511材料多向?qū)雍习宸謱訑?shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)吻合度極高,論證了模型參數(shù)研究方案的正確性。綜上所述,本文基于內(nèi)聚力模型方法,提出了一種新的三線性本構(gòu)模型,給出了合理的參數(shù)研究方案,并結(jié)合二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對模型的驗(yàn)證和參數(shù)的討論。模型具有明確的物理意義和簡單的參數(shù)體系,能夠?qū)Χ嘞驅(qū)雍习宸謱訑U(kuò)展行為進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。本文的工作為復(fù)合材料多向?qū)雍习宓姆謱訑?shù)值模擬提供了有效的支持。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 復(fù)合材料層合板分層試驗(yàn)研究現(xiàn)狀復(fù)合材料層合板的分層屬于兩種各向異性材料界面的裂紋，裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)層破壞[5]。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的受力不同和樹脂基體的韌性差異，從微觀尺度合板的分層擴(kuò)展可分為三種基本模式：I 型（拉伸型），II 型（剪切型）和（撕開型），如圖 1.1 所示。工程實(shí)際中，分層擴(kuò)展主要以 I 型、II 型和 I/I型存在，III 型存在的比例相對較小。Bradley 等人[6]認(rèn)為，在以脆性樹脂為基復(fù)合材料體系中，I 型分層前緣中微裂紋會(huì)隨著分層的擴(kuò)展而生長合并，進(jìn)而纖維和基體的脫粘，脫粘過程通常會(huì)誘發(fā)纖維的橋接和斷裂。II 型和 III 型剪式下的分層在前緣處的微裂紋發(fā)生合并后，將沿著與鋪層角度呈 45°的方向。微裂紋的合并在樹脂基體處呈現(xiàn)鋸齒狀。而在韌性樹脂基體體系中，分層的驅(qū)動(dòng)力主要來自于分層前緣的塑性變形，擴(kuò)展過程伴隨著層間脫層和韌性現(xiàn)象。

率 C作為斷裂韌度，若滿足 ≥ C，則新的裂紋面形成，裂紋前緣向前移動(dòng)。應(yīng)力集中因子和應(yīng)變能釋放率在本質(zhì)上是等效的，Chyanbin[8]用兩種概念分析了復(fù)合材料層合板的分層擴(kuò)展，指出由于分層前緣的數(shù)值震蕩嚴(yán)重，原始的應(yīng)力集中因子概念需要修正，并建立了改良后應(yīng)力集中因子與應(yīng)變能釋放率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在對層合板不同模式斷裂韌度的測量方法研究中，產(chǎn)生了一系列試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。對于 I 型斷裂韌度主要采用 DCB（Double Cantilever Beam）試驗(yàn)方法獲取，該方法已被納入到 ASTM D5528-13 標(biāo)準(zhǔn)[9]。和 ISO 15024 標(biāo)準(zhǔn)[10]。II 型斷裂韌度主要采用 ENF（End Notched Flexture）和 4ENF（Four-point ENF）試驗(yàn)方法獲取，其中 ENF 方法已被納入到 ASTM D7905/D7905M-14 標(biāo)準(zhǔn)[11]、中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB7403-96[12]和日本 JSA K7086 標(biāo)準(zhǔn)[13]。由于 II 型裂紋擴(kuò)展的穩(wěn)定區(qū)域較小，因此試驗(yàn)一般在不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行，能夠測得的僅為斷裂韌度的起始值。對于 I/II 混合型分層擴(kuò)展，MMB（Mixed Mode Bending）試驗(yàn)方法方便調(diào)節(jié)不同模式混合比，所以被廣泛采用，該方法已被納入到 ASTM D6671/D6671M-13e1 標(biāo)準(zhǔn)[14]。相關(guān)試驗(yàn)的示意圖如圖 1.2 所示：

纖維橋接是指在分層擴(kuò)展過程中，分層前緣在復(fù)雜應(yīng)力場下發(fā)生“跳躍”，造成的部分纖維拔出。拔出的纖維會(huì)降低分層前緣處的應(yīng)力集中并增加分層擴(kuò)展的阻力，導(dǎo)致斷裂韌度隨分層擴(kuò)展長度的增加而變大——即R曲線，如圖1.3所示。De Moura 等人[24]通過刀片切割橋接纖維后，發(fā)現(xiàn)分層擴(kuò)展過程中斷裂韌度保持為常值，由此論證了纖維橋接是造成 R 曲線特征的主要原因。已有文獻(xiàn)[25]指出，當(dāng)橋接區(qū)域的尺寸遠(yuǎn)小于試件最小尺寸時(shí)，R 曲線可視為材料固有屬性，而當(dāng)存在大面積纖維橋接時(shí)，R 曲線的形狀明顯依賴于試件尺寸。S rensen 等人[26]開展了不同尺寸試件的 DCB 試驗(yàn)，提出了用不依賴于試件尺寸的纖維橋接律來描述大量纖維橋接對斷裂韌度的影響

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 吳義韜;姚衛(wèi)星;沈浩杰;;層合板混合模式分層擴(kuò)展能量準(zhǔn)則評估[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2014年03期

2 曹春曉;;一代材料技術(shù),一代大型飛機(jī)[J];航空學(xué)報(bào);2008年03期

本文編號：2779351