纤维复合材料的无纺布层间增韧分析

摘要

分层是复合材料层合板最危险的破坏形式，而分层主要发生在层合板界面层上，因此，选取合适的界面材料来抑制复合材料的分层损伤，提高其断裂韧性成为复合材料设计与分析的热点。实验证明，尼龙无纺布增韧层能在保证良好工艺性能的前提下，显著提高复合材料的断裂韧性。目前，对于尼龙无纺布层间增韧机理方面的研究较少，因此，在国家973计划项目的资助下建立无纺布层间增韧复合材料分层破坏的数值分析模型并研究层间增韧机理，具有重要的理论意义。通过研究不同材料及其参数对无纺布层间增韧复合材料断裂韧性的影响规律，为生产实践提供理论指导，具有重要的应用价值。
　　 本文应用有限元方法，引入一种反映无纺布增韧层力学特性的内聚力模型，建立了复合材料分层损伤产生与扩展的力学模型，重点研究了无纺布增韧层的性能参数以及层合板的几何参数对复合材料力学性能的影响。
　　 在测试无纺布层间增韧复合材料Ⅰ型断裂韧性(GIC)的双悬臂梁弯曲实验中得到的结论如下:(1)随着增韧层拉伸强度的增加，复合材料Ⅰ型分层时的峰值载荷、扩展阻力以及GIC随之增加。增韧层GIC＜0.7N/mm时，增韧效果不明显;增韧层GIC＞0.7N/mm时，复合材料的GIC随之得到明显的改善;增韧层GIC＞0.9N/mm时，增韧层GIC只能部分转化为复合材料的GIC。(2)增韧层的模量和厚度对复合材料Ⅰ型分层的峰值载荷几乎没有影响，但是当E＞2500MPa时，复合材料分层扩展阻力增加;增韧层厚度为20μm时，复合材料分层扩展阻力最大。(3)随着层合板厚度的增加，复合材料Ⅰ型分层时的峰值载荷和扩展阻力随之增加。层合板厚度为4mm时，通过DCB测试可以明显地观察到增韧层塑性变形和复合材料的分层破坏行为。(4)复合材料GIC随着预设裂纹长度的增加而缓慢增加，但是预设裂纹长度大于45mm时，其趋于稳定。(5)对于特定铺层的复合材料，一旦分层开始扩展，其前沿形貌保持一致，[012/012]单向复合材料分层前沿保持轻微的弧形，而[012/9012]正交复合材料分层前沿形状接近直线，对于其它三个铺层角，沿着试样宽度方向具有不同的形貌;在本文的材料体系以及几何尺寸下，铺层角为[012/6012]复合材料沿着宽度方向分层扩展差异最大;此外，在相同的加载位移下，当铺层角从[012/012]变化到[012/9012]时，复合材料Ⅰ型分层的峰值载荷和扩展距离不断减小。
　　 在测试无纺布层间增韧复合材料Ⅱ型断裂韧性(GⅡC)的端部切口实验中得到的结论如下:(1)随着增韧层剪切强度的增加，复合材料Ⅱ型分层时的峰值载荷和GⅡC也随之增加，但是增加的幅度逐渐减小;在稳定的分层扩展阶段，复合材料的力学响应主要受到增韧层GⅡC的控制;随着增韧层GⅡC的增加，复合材料Ⅱ型分层时的峰值载荷和GⅡC随之线性增加。(2)增韧层的模量和厚度对于复合材料Ⅱ型分层破坏几乎没有影响。(3)随着层合板厚度的增加，复合材料发生Ⅱ型分层的峰值载荷、分层扩展阻力和GⅡC不断增加。但是，厚度高于5mm时，复合材料GⅡC趋于一个稳定值。(4)随着预设裂纹长度的增加，复合材料Ⅱ型分层时的峰值载荷不断下降，GⅡC不断增加，峰值载荷下降幅度和复合材料GⅡC增加幅度逐渐减小。以预设裂纹长度30mm为界，峰值载荷对应的加载挠度呈现先减小后增大的趋势。(5)一旦裂纹开始扩展，沿着裂纹扩展方向，裂纹前缘的剪切应力分布曲线一致，而且扩展速度不断减小。[012/012]单向复合材料的界面前沿形貌并不是直线;[3012/012]，[4512/012]和[6012/012]铺层角复合材料的裂纹前缘形貌和铺层角度基本呈现正相关;而[9012/012]正交复合材料未发生分层扩展行为。此外，从[012/012]单向铺层变化到[6012/012]斜交铺层，在相同的外力载荷下裂纹扩展距离不断减小，但是复合材料GⅡC不断增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景以及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的意义

1．2 国内外研究历史以及现状

1．2．1 解析方法在复合材料层合板分层研究中的应用

1．2．2 有限元方法在复合材料层合板分层研究中的应用

1．3 研究内容以及方法

第二章 理论基础

2．1 有限元理论

2．1．1 有限元法的基本思想

2．1．2 有限元法的理论基础

2．1．3 固体力学问题有限元分析的执行步骤

2．2 内聚力界面单元

2．2．1 内聚力单元简介

2．2．2 内聚力单元基本类型

2．2．3 内聚力单元的数值实现

2．2．4 内聚力单元模拟分层流程

2．3 本章小结

第三章 无纺布层间增韧复合材料的Ⅰ型分层破坏研究

3．1 引言

3．2 双悬臂梁弯曲实验的模拟与实验验证

3．2．1 复合材料Ⅰ型分层破坏的实验方法

3．2．2 复合材料Ⅰ型分层破坏的解析模型

3．2．3 复合材料Ⅰ型分层破坏的有限元模型及其验证

3．3 无纺布增韧层的性能参数对复合材料Ⅱ型分层破坏的影响

3．3．1 增韧层的拉伸强度

3．3．2 增韧层的Ⅰ型断裂韧性

3．3．3 增韧层的弹性模量

3．3．4 增韧层的厚度

3．4 层合板几何参数对复合材料Ⅰ型分层破坏的影响

3．4．1 层合板厚度

3．4．2 预设裂纹长度

3．4．3 铺层角度

3．5 本章小结

第四章 无纺布层间增韧复合材料的Ⅱ型分层破坏研究

4．1 引言

4．2 端部切口实验的模拟与实验验证

4．2．1 复合材料Ⅱ型分层破坏的实验方法

4．2．2 复合材料Ⅱ型分层破坏的有限元模型及其验证

4．3 无纺布增韧层性能对复合材料Ⅱ型分层破坏的影响

4．3．1 增韧层的剪切强度

4．3．2 增韧层的Ⅱ型断裂韧性

4．3．3 增韧层的弹性模量

4．3．4 增韧层的厚度

4．4 层合板几何参数对复合材料Ⅱ型分层破坏的影响

4．4．1 层合板厚度

4．4．2 预设裂纹长度

4．4．3 铺层角度

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文