碳纤维/树脂单丝复合体系界面力学行为的研究

摘要

纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比刚度高、可设计性等优点，故其在航空、航天等领域得到了广泛的应用。界面相是复合材料的重要组成部分，是影响复合材料宏观力学性能和使用可靠性的关键因素之一。因此，有必要建立界面与复合材料宏观力学性能的关联性分析。然而，这是一个从细观到宏观的复杂过程，属于跨尺度领域的研究范围。而纤维单丝、界面相以及树脂基体组成的单丝复合体系是这一过程得以实现的必经阶段。因此，进行单丝复合体系界面力学行为的研究，建立单丝复合体系应力传递及失效破坏过程的分析方法，对实现上述的跨尺度分析过程具有重要的意义和一定的必要性。
　　本文以纤维单丝、界面相以及树脂基体组成的单丝复合体系为研究对象，综合利用单丝复合体系界面力学性能表征的细观力学实验（单丝复合体系段裂实验和微滴脱粘实验）、细观力学理论（剪滞理论）以及数值分析的方法，对单丝复合体系，在受载状态下的应力传递过程和损伤破坏过程，进行理论分析和数值模拟研究。为解决从界面到复合材料宏观性能预报的跨尺度研究奠定基础。本文开展了如下的研究工作：
　　首先，基于剪滞理论，建立单丝复合体系应力传递过程的理论分析方法。分析中充分考虑了体系在外载荷作用下可能出现的两种损伤模式，即界面相脱粘和基体损伤破坏。详细分析不同损伤模式下，体系内纤维轴向应力以及界面剪应力的分布。在此基础上，对单丝复合体系段裂实验“饱和状态”下的实验数据进行分析，针对现有的单丝段裂实验界面剪切强度的计算公式，提出新的临界长度的确定方法，以获得更加真实的界面性能表征参数。此外，考虑纤维强度分布的离散性特征，建立单丝复合体系段裂破坏过程的蒙特卡洛模拟方法，并利用实验验证该方法的正确性，在此基础上评价纤维强度分布的统计参数以及损伤模式对单丝复合体系段裂破坏过程的影响。
　　上述的理论分析方法很好地描述了单丝复合体系段裂破坏过程的“宏观”实验现象，即随外载荷的增加体系内纤维逐渐脆段的过程。但是，该方法无法表征体系内纤维断口处的细观损伤模式。因此，需要采用数值分析的方法。随着数值分析方法在复合材料宏观力学性能分析中的广泛应用，基于内聚力理论、用于描述复合材料界面力学性能的界面相单元也随之产生。但是，由于界面相的几何尺寸以及界面相形成的特点，该单元的相关性能参数难于确定。因此，本文发展了实验与数值分析相结合的方法，分析确定界面相单元的性能参数（该参数的确定为复合材料宏观力学性能数值分析方法的建立提供必要的参数）。在此基础上，建立基于界面相内聚力单元的单丝复合体系应力传递以及损伤破坏过程的数值分析方法。
　　将碳纤维单丝电阻与应变的线性关系应用于单丝复合体系应力传递过程的实验研究，表征体系内界面相的传载能力。同时，建立基于内聚力单元的单丝复合体系应力传递过程的数值分析方法，并研究数值模型的几何尺寸以及网格划分方式对数值计算结果的影响，以确定适合的数值计算模型。在此基础上，将实验与数值分析方法有效结合，分析确定单丝复合体系内界面相内聚力单元的弹性性能参数。
　　利用微滴脱粘实验表征单丝复合体系界面相的粘接强度，同时，建立针对该实验的数值模型（数值模型中纤维与树脂基体之间的界面相采用了内聚力单元）。通过数值的方法分析实验结果离散性的主要原因。在此基础上，提取有效的实验数据，结合基于内聚力单元损伤模型的数值分析方法，分析确定单丝复合体系内界面相内聚力单元的强度参数。
　　在确定了内聚力单元参数的基础上，以通用有限元软件 ABAQUS为计算平台，进行二次开发，建立基于用户自定义子程序的单丝复合体系段裂破坏过程的数值分析方法。通过与实验表征结果的对比，验证了该模拟方法的正确性，为实现复合材料单向板的渐进损伤分析提供计算方法的依据。

目录

碳纤维/树脂单丝复合体系界面力学行为的研究

RESEARCH ON THE INTERFACE MECHANICAL BEHAVIOR OF CARBON FIBER/RESIN SINGLE FIBER COMPOSITES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究综述

1.3 本文主要研究内容

第2章 单丝复合体系的应力传递分析

2.1 引言

2.2 单丝复合体系段裂实验

2.3 单丝复合体系的应力传递分析

单丝夊合体系应力传递分析的剪滞理论

基于剪滞理论的界面脱粘损伤应力传递分析

基于剪滞理论的基体损伤应力传递分析

2.4 界面性能表征与单丝复合体系段裂过程的蒙特卡洛模拟

界面性能的表征

单丝夊合体系段裂破坏过程的蒙特卡罗模拟

2.5 本章小结

第3章 单丝复合体系界面相模量的分析与确定

3.1 引言

3.2 碳纤维单丝电阻法实验

3.3 单丝复合体系应力传递过程的数值分析

3.4 单丝复合体系界面相模量的分析与确定

3.5 本章小结

第4章 单丝复合体系界面相强度的分析与确定

4.1 引言

4.2 微滴脱粘实验

4.3 数值分析方法的建立

4.4 单丝复合体系界面相强度的分析与确定

4.5 本章小结

第5章 单丝复合体系段裂破坏过程的数值分析

5.1 引言

5.2 单丝复合体系段裂实验损伤模式的实验表征

5.3 单丝复合体系段裂破坏过程数值分析方法的建立

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历