Kevlar纤维增强复合材料多尺度力学行为及层间剪切性能研究

摘要

Kevlar纤维凭借其高比强度、高模量、抗冲击等优异的性能，广泛应用于弹道系统、航天航空、防护材料等领域;而以Kevlar为增强纤维形成的纤维增强复合材料(Aramid Fibre Reinforced Polymers，AFRP)也以其轻质高强、抗冲击、抗疲劳等优点，在国防建设、汽车工业、地铁隧道、海洋结构等领域获得广泛的应用，同时，在土木工程基础设施的加强、修复领域也逐渐开始崭露头角。本文进行了一系列关于Kevlar纤维及其FRP性能的研究，为今后进行材料的深入理论研究以及扩大材料的实际应用范围奠定基础。
　　根据Kevlar29/49纤维丝、束拉伸试验得到的各项力学参数以及对拉伸强度进行威布尔(Weibull)分析得到的分布参数，通过ANSYS中的用户自定义子程序(USERMAT)建立了不同尺度纤维的自定义本构模型。该模型考虑了由于加工过程产生的损伤而造成拉伸强度的随机变化，弥补了传统确定性模型的不足。模拟结果与试验结果吻合程度较好，同时展示了不同尺度纤维在拉伸受力过程中内部损伤的发展过程。
　　利用MTS(Manager Testing Solution)液压伺服高速试验机测试芳纶纤维(Kevlar29/49)增强复合材料(AFRP-K29/49)在四种应变率(25、50、100和200s-1)和五种温度（-25、0、25、50和100℃）条件下的力学性能，并通过Weibull分析量化出破坏强度在不同应变率和温度下的离散程度。结果表明，随着应变率的增加，AFRP材料的杨氏模量和拉伸强度均先升高后降低，而韧性则表现为相反的趋势。AFRP-K29的拉伸强度以及两种AFRP材料的杨氏模量受温度的影响较为明显，而AFRP-K49的拉伸强度以及两种AFRP材料的韧性受温度影响则较小。当测试温度超过胶体的玻璃化温度时，AFRP材料的杨氏模量发生明显的下降。将不同试验条件下AFRP试样的破坏形态进行对比，发现破坏形态在不同应变率和温度下没有明显区别，均为较平整的断裂面。
　　分别对双层Kevlar49纤维布的单搭接剪切接头、Kevlar49纤维布/钢板的单搭接剪切接头的力学性能进行测试，发现对于25mm宽度双层Kevlar49纤维布的单搭接剪切接头试样，有效粘结长度为25mm;25mm宽度Kevlar49纤维布/钢板单搭接剪切接头试样，有效粘结长度为50mm。在各自的有效粘结长度范围内，粘结力随着粘结长度的增加而增加，但增加幅度逐渐减小；粘结应力则随着粘结长度的增加逐渐减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 Kevlar的基本介绍

1．2 Kevlar材料及其FRP的研究概况

1．2．1 Kevlar材料力学性能的试验研究

1．2．2 Kevlar材料力学性能的数值模拟

1．2．3 Kevlar纤维增强复合材料的试验研究

1．3 研究的背景和意义

1．4 本文研究的主要内容

第2章 基于随机破坏的Kevlar纤维多尺度模拟

2．1 引言

2．2 Kevlar 49纤维的随机破坏及有限元模拟

2．2．1 纤维丝(微观)尺度的纤维束模型

2．2．2 纤维丝(微观)尺度的纤维布模型

2．2．3 纤维束(细观)尺度的纤维布模型

2．2．4 纤维布尺度(宏观)模型

2．3 Kevlar 29纤维的随机破坏及有限元模拟

2．4 本章小结

第3章 应变率和温度对AFRP力学性能的影响

3．1 试验概况

3．1．1 AFRP真空辅助成型工艺

3．1．2 测试方法

3．2 测试结果与分析

3．2．1 应变率对AFRP力学性能的影响

3．2．2 温度对AFRP力学性能的影响

3．2．3 威布尔分析

3．2．4 应变率和温度对破坏形态的影响

3．3 数值模拟

3．4 本章小结

第4章 Kevlar纤维布层间及钢板单搭接性能

4．1 引言

4．2 双层Kevlar纤维布单搭接头性能研究

4．2．1 试样的制备

4．2．2 测试方法及过程

4．2．3 试验结果与分析

4．2．4 破坏形态分析

4．3 Kevlar纤维布／钢板单搭接头性能研究

4．3．1 试样的制备

4．3．2 测试方法及过程

4．3．3 试验结果与分析

4．3．4 破坏形态分析

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文