纳米纤维改性C/C复合材料拉伸断裂过程有限元分析

摘要

C/C复合材料作为一种特殊的炭材料,其应用领域在逐步扩大,但也对其使用条件提出了更加苛刻的要求。为了提高C/C复合材料的综合性能或某些特殊性能,对其增强相炭纤维进行改性是必要且可行的。前期研究表明,炭纤维改性后C/C复合材料力学性能显著提高,但增强增韧机理还没有明确。本文以断裂力学和界面力学为分析手段,通过有限元软件ANSYS分别对C/C复合材料改性前后裂纹尖端应力强度因子进行了研究,探讨了改性前后C/C复合材料的增强增韧机理。主要研究结论如下:
　　改性前,分别建立了C/C复合材料中炭基体和炭纤维含横向裂纹分析模型,研究裂纹扩展时其应力强度因子变化情况及在不同炭纤维含量、长度、炭基体弹性模量大小等条件下裂纹扩展时应力强度因子的变化规律。研究结果表明:炭基体裂纹的应力强度因子随着裂纹增长而变大,但当其裂尖扩展至界面附近时其应力强度因子将变小;炭纤维裂纹的应力强度因子也随着裂纹增长而变大,但当其裂尖扩展至界面附近时其应力强度因子会急剧变大;炭纤维含量、长度、基体弹性模量大小等控制在一定范围内,C/C复合材料具有最佳力学性能;建立了C/C复合材料多裂纹分析模型,研究结果表明界面贯穿裂纹与界面交点处存在幂次奇异性,且随着炭纤维和炭基体弹性模量比的增加而增大。通过采用MATLA B软件计算不同条件下的裂纹尖端奇异性指数,验证了有限元分析模拟的合理性。
　　改性后,分别建立了纳米纤维改性C/C复合材料中炭基体和炭纤维含横向裂纹的平行炭纤维轴向拉伸分析模型,研究了纳米纤维含量、长度、生长角度及裂纹扩展时是否触及纳米纤维等条件下裂纹应力强度因子的变化规律。研究结果表明:当炭基体裂纹不在纳米纤维范围内时,纳米纤维含量越多、长度越长,其裂尖应力强度因子越小;当炭基体裂纹扩展到纳米纤维区域内时,纳米纤维含量越少、长度越短,其裂尖应力强度因子越小,且生长方向与裂纹面成60°左右时其裂尖应力强度因子最小;当炭纤维裂纹扩展时,纳米纤维含量越多、长度越长,其裂尖应力强度因子越小。
　　改性后,建立了纳米纤维改性C/C复合材料中基体含横向裂纹的垂直纤维轴向拉伸分析模型,研究了纳米纤维含量、长度、生长角度条件下裂纹应力强度因子的变化规律。研究结果表明,纳米纤维含量越多、长度越长,垂直纤维生长时,其裂尖应力强度因子最小。

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主要符号说明

第一章 绪论

1. 1 C/C复合材料

1. 2 C/C复合材料的结构

1. 3 纳米炭纤维

1. 4 纳米纤维增强、增韧C/C复合材料

1. 5 复合材料细观力学

1. 6 论文研究背景及内容

第二章 界面断裂力学基本理论

2. 1 断裂力学发展概况

2. 2 断裂模式

2. 3 断裂力学参数

2. 4 复合材料的断裂

2. 5 纳米纤维改性C/C复合材料中纳米纤维断裂模式

2. 6 D undur s参数

2. 7 裂纹与界面垂直时的应力奇异性

第三章 C/C复合材料平行炭纤维轴向拉伸断裂过程有限元分析

3.1 ANSYS断裂力学分析

3. 2 C/C复合材料细观力学有限元分析

3. 4 C/C复合材料多裂纹拉伸断裂有限元分析

3. 5 纤维增强C/C复合材料拉伸断裂机理分析

3. 6 小结

第四章 纳米纤维改性C/C复合材料拉伸断裂过程有限元分析

4. 1 引言

4. 2 平行炭纤维轴向拉伸断裂过程有限元分析

4. 3 垂直炭纤维轴向拉伸断裂过程有限元分析

4. 4 纳米纤维改性对C/C复合材料断裂韧性的影响机理

4. 5 纳米纤维改性C/C复合材料的单胞结构模型

4. 6 小结

第五章 总结

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢