单向复合材料界面对其力学性能影响的研究

摘要

复合材料界面与复合材料性能间的关联规律的研究是至关重要的，可以帮助实现对复合材料界面进行主动设计和控制。预测在各种服役下碳纤维增强复合材料结构性能蜕变规律，从而提高碳纤维的性能转化率和复合材料的性能。这些工作将为碳纤维复合材料快速、高效、可靠地应用于先进国防装备和民用提供系统的理论基础和技术储备。本文就是在这样的背景下展开了界面对单向增强复合材料性能影响的研究。界面相不但是复合材料中基体相和增强相之间的桥梁，也是增强相能够充分发挥其提高承载作用的纽带。此外界面相对复合材料的物理、化学及力学性能也有着至关重要的影响,使复合材料具有许多其他材料所没有的独特性能。
　　本文利用双尺度均匀化方法对热力耦合条件下的复合材料结构进行了分析，用均质的宏观结构和非均质的具有周期性构造的细观结构描述实际材料，将物理量表示为关于宏观坐标与细观坐标的函数，并用细观和宏观两种尺度之比为小参数展开，用摄动技术将原问题转化为细观有限元问题和宏观有限元问题，从而通过求解有限元方程预报复合材料的刚度矩阵，并将其所得结果与通用有限元法和实验所得结果进行对比，验证该方法的可靠性。
　　然后研究了界面对横向压缩性能的影响。界面的损伤演化分析采用了内聚力模型。由于在压缩载荷作用下基体表现出一定的塑性，因此基体采用Mohr-Coulomb塑性模型进行模拟。而界面对横向拉伸性能的影响的研究，界面仍采用内聚力模型，纤维和基体表现极强的脆性，故采用脆性模型。在用户材料子程序（umat）中引入最大拉应力准则，利用Murakami-Ohno损伤模型实现细观组分材料刚度的折减，从而对其进行渐近损伤分析。对于横向方面的研究，可以看做平面应变问题进行处理，为便于计算采用二维情况下的代表性体积单胞。对于界面对纵向拉伸性能影响的研究采用三维 RVE有限元模型，纤维初始破坏准则采用Hashin三维空间应力破坏准则。研究界面的传载机制时采用了含断口纤维的单胞。通过以上模型研究了界面强度和断裂能对复合材料性能的影响。通过与宏观实验进行对比，验证了数值模拟的可靠性。

目录

单向复合材料界面对其力学性能

RESEARCH OF THE EFFECT OF INTERFACE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状与进展

1.3 主要研究内容

第2章 均匀化理论推导及刚度预报

2.1 周期性复合材料热力耦合问题的数学描述

2.2 位移的多尺度渐近展开式

2.3 双尺度均匀化方法的计算步骤

2.4 基于均匀化方法的有效弹性模量的预报

2.5 通用有限元法对复合材料刚度的预报

2.6 本章小结

第3章 界面对单向增强复合材料横向压缩与拉伸失

3.1 界面内聚力模型

3.2 周期性边界条件

3.3 单向增强复合材料横向压缩失效表征

3.4 单向增强复合材料横向拉伸失效表征

3.5 本章小结

第4章 界面对单向增强复合材料纵向拉伸

4.1 引言

4.2 细观组分材料损伤模型

4.3 纵向拉伸强度

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢

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