孔隙影响碳纤维复合材料层合板力学性能研究

摘要

近年来，环氧树脂基碳纤维复合材料因其具有比性能高、可设计性强、材料利用率高等优点而越来越多应用于汽车行业，然而碳纤维复合材料制造过程中因受各种因素影响极易产生缺陷，其中孔隙是最常见的缺陷之一。孔隙的存在会使复合材料的力学性能降低，国内外学者对孔隙问题进行了广泛的研究，但对孔隙影响碳纤维复合材料力学性能影响还缺乏足够认识，主要表现在:1.对孔隙的表征评价方法需进一步探讨;2.对孔隙的数值研究方法仍需完善。针对以上问题，本文研究内容如下:
　　基于工业CT的无损检测结果，运用面向对象程序设计的思想，采用阈值分割法和边界跟踪法实现层合板孔隙率评估，实现碳纤维复合材料中孔隙缺陷的识别，并对模型进行三维重建以实现对孔隙缺陷尺寸、分布及形状的合理评估。
　　基于复合材料细观力学理论，提出含基体层的碳纤维复合材料层合板的建模方法，通过对比试验与仿真结果，得到拉伸和弯曲载荷下对应的基体层厚度最佳值，为在碳纤维复合材料层合板中引入孔隙缺陷提供了模型基础。
　　利用含基体层层合板结构模型，基于有限元软件ABAQUS，建立了含孔隙的碳纤维层合板三点弯曲模型，并讨论了孔隙率、孔隙形状、孔隙分布和层合板铺层方式对层合板弯曲刚度的影响规律。
　　编写基于Hashin失效准则和Linde刚度退化方案的UMAT用户子程序，进行层合板的失效分析，同时利用内聚力单元模拟三点弯曲过程中分层损伤起始和扩展过程。通过试验与仿真的对比，验证了UMAT子程序的有效性，并在此基础上分析了孔隙缺陷对分层损伤的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 碳纤维复合材料孔隙成因分析

1．3 孔隙问题的国内外研究现状

1．3．1 孔隙缺陷检测方法

1．3．2 孔隙的表征方法

1．3．3 孔隙对复合材料力学性能的影响

1．4 本文研究的主要内容

2 孔隙缺陷检测与特征参数评估

2．1 CT成像原理与三维重建

2．2 图像分割与边缘检测

2．2．1 灰度阈值分割与二值化

2．2．2 边界提取

2．3 试验测试

2．4 孔隙检测结果分析

2．4．1 误差估算

2．4．2 孔隙特征参数评估

2．5 本章小结

3 虑及孔隙缺陷的层合板建模方法

3．1 含基体层层合板模型

3．1．1 层合板基本结构

3．3．2 含基体层建模方法

3．2 试验研究

3．2．1 试验原料

3．2．2 试件及试验设备

3．2．3 试验测试操作与计算

3．2．4 试验结果

3．3 有限元模型的建立与验证

3．3．1 有限元模型

3．3．2 拉伸试验与仿真结果对比

3．3．3 三点弯曲试验与仿真结果对比

3．4 本章小结

4 孔隙对层合板弯曲刚度的影响

4．1 含孔隙层合板研究方案

4．2 孔隙特征参数

4．2．1 孔隙率

4．2．2 孔隙形状

4．2．3 孔隙分布

4．2．4 铺层角度占比

4．3 含孔隙层合板有限元模型

4．4 有限元结果分析

4．4．1 孔隙率对弯曲刚度的影响

4．4．2 孔隙形状对弯曲刚度的影响

4．4．3 孔隙分布对弯曲刚度的影响

4．4．4 孔隙率对各铺层角度占比不同层合板弯曲刚度的影响

4．5 本章小结

5 孔隙影响层合板承载性能数值模拟研究

5．1 有限元模型

5．2 层内失效准则及刚度退化方案

5．2．1 失效准则

5．2．2 刚度退化方案

5．3 层间失效

5．4 模型验证

5．4．1 三点弯曲极限承载能力

5．4．2 层内损伤模式

5．4．3 层间损伤模式

5．4．4 试验与仿真结果对比

5．5 孔隙对分层失效的影响

5．5．1 孔隙率影响极限承载性能规律

5．5．2 孔隙率对初始分层失效的影响

5．5．3 孔隙形状对初始分层失效的影响

5．5．4 孔隙分布对初始分层失效的影响

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢