聚乙烯自增强热塑性复合材料损伤失效机理研究

摘要

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维具有优异的综合性能，以其作为增强体的聚乙烯自增强(PE/PE)热塑性复合材料由于纤维和基体材料的化学相容性，可很好地发挥UHMWPE纤维的综合优良性能，因此，是一种极具应用前景的先进复合材料。研究PE/PE复合材料的损伤失效机理，对确保其结构在服役过程中的力学安全性是十分重要的，也有利于获得最佳的结构设计。现有对复合材料损伤失效机理的研究大多是集中在碳纤维、玻璃纤维等增强的热固性复合材料上。然而，由于基体的塑性性能、复合材料的热塑成型等特点，热塑性复合材料力学行为与热固性复合材料有很大的差异，而近年来随着热塑性复合材料的快速发展，工程领域应用热塑性复合材料越来越广泛，因此，对热塑性复合材料损伤失效机理的研究很有必要。本文对PE/PE热塑性复合材料损伤失效机理的研究具有现实意义。
　　 纤维增强复合材料的损伤是一个复杂的逐渐破坏过程，一般包含有基体开裂、纤维断裂、纤维抽拔、纤维-基体界面脱粘和分层等多种损伤模式。为了准确揭示PE/PE复合材料的逐渐损伤过程，本文开展了两个部分的研究工作：一是以基于逐渐损伤分析的有限元法作数值模拟研究，实现对层合板损伤进程及强度等性能的预报；二是以基于信号模式识别(PR)分析的声发射(AE)技术作实验检测研究，获取关于复合材料损伤进程的更丰富信息，并实现对模型的验证。本文为两种方法研究中尚存在的很多问题提供了新的解决思路，并以期为实际工程应用提供一种简便有效的解释热塑性复合材料损伤机制与检测分析的方法。
　　 在数值模拟研究中，首先开展了几种UHMWPE/LDPE单层板(0°、90°和45°)的力学测试实验，对实验结果初步分析发现，该材料的纵向、横向与偏轴剪切拉伸均存在明显的非线性，其纵向拉伸强度远大于其它两个方向上的拉伸强度。针对这一特性，以分段线弹性方法考虑了复合材料各向材料属性(E1、E2和G12)的非线性，并结合复合材料层合板的逐渐损伤有限元分析方法提出了一种综合考虑纵向、横向与面内剪切非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型。
　　 然后，利用ANSYS软件对所建立的含材料非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型进行模拟，采用APDL语言编写了参数化的有限元分析程序。模拟研究了单层板的材料非线性对其力学行为的影响及层合板的逐渐损伤过程。与拉伸试验数据对比的结果表明：UHMWPE/LDPE复合材料的各向材料属性(E1、E2和G12)非线性对于复合材料力学行为的数值模拟具有重要影响，而巨的非线性对于复合材料层合板的拉伸力学行为有着显著的影响；以分段线弹性的方法表征各向材料属性的非线性，可简便有效地分析复合材料及其结构由于材料非线性而造成的非线性力学特性；所建立的含材料非线性的逐渐损伤模型清楚地揭示了UHMWPE/LDPE层合板在拉伸损伤过程中的基体开裂、纤维-基体脱粘和纤维断裂等损伤模式，并能反映损伤的进程，它简便地呈现了复合材料层合板的非线性拉伸过程，在应力-应变发展趋势与拉伸强度、断裂应变等性能预测上都与拉伸试验结果相一致，取得了良好的模拟结果。
　　 在声发射检测实验研究中，首先研究了几种简单铺层(0°、90°和[±45°])UHMWPE/LDPE复合材料的损伤AE特征及失效机理。采用模式识别(PR)一般分析方法对AE数据进行了预处理和聚类分析。在聚类分析中，结合扫描电子显微镜(SEM)技术获取了较好的分类结果。结果表明，PR技术对UHMWPE/LDPE热塑性复合材料损伤AE信号的区分是客观适用的，并可有效地对信号进行除噪：PR方法能别出试样中的基体开裂、纤维-基体界面脱粘、纤维抽拔和纤维断裂等损伤模式，识别结果与利用SEM对破坏断面观察所得结果一致；借助AE信号累计数对应变的关系曲线，能清楚了解试样中各种信号类别的活动特性，再结合每种试样的特点，并可较合理地辨清损伤模式与信号类别的对应关系，从而掌握试样的损伤活动特性。
　　 因此，本研究以0°、90°和[±45°]UHMWPE/LDPE热塑性复合材料为分析对象展开了进一步的研究，辅以对LDPE基体和UHMWPE纤维的声发射检测分析，建立起一种能客观识别复合材料试样中未知信号类别损伤源机制的无监督识损伤AE信号，另一方面，通过选取适当的样本数据，SPR方法同样可以实现对复杂铺层层合板损伤AE信号的快速区分；本文设计了从基体、纤维和简单铺层复合材料的分析中获取各种损伤模式的典型信号波形特征与AE信号数据，为上述两种分析方法在复杂铺层复合材料中的应用解决了关键性的问题，获得了合理的分析结果；两种方法对UHMWPE/LDPE层合板的研究得到了较一致的分类结果，表明PR技术分析具有客观一致性，层合板中不同损伤源机制所产的信号具有可分性。
　　 分析结果显示，对于[0/90/±45]s层合板，其主要损伤机制有基体变形开裂、纤维断裂、和纤维-基体界面脱粘破坏，并伴有少量的纤维抽拔损伤，这些损伤都有一个发展的过程，其中纤维的损伤与断裂是层合板失效的主要原因。以这一结果对逐渐损伤模型所揭示的层合板损伤进程及机理进行了验证。研究最终表明，本文建立的含材料非线性的逐渐损伤模型可准确预报层合板的损伤特性，获得有关损伤的状态与进程；模拟的结果与声发射检测分析结果(包括SEM分析结果)相一致；同时，模型在对层合板应力.应变的发展趋势及其最终拉伸强度、断裂应变等均可以良好精度地模拟预测，验证了模型的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 复合材料损伤失效研究状况

1.2.1 复合材料逐渐损伤分析模拟研究状况

1.2.2 复合材料声发射检测研究状况

1.2.3 PE/PE复合材料损伤失效研究状况

1.3 存在问题

1.4 研究目的与创新点

1.5 研究内容与章节安排

第二章 含材料非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型

2.1 逐渐损伤分析方法概述

2.1.1 应力分析

2.1.2 失效准则

2.1.3 材料属性退化

2.1.4 材料非线性问题

2.2 复合材料单层板与层合板的弹性特性

2.2.1 单层板的应力应变关系

2.2.2 层合板的弹性特性

2.3 力学测试实验

2.3.1 原材料

2.3.2 PE/PE复合材料的制备与试样

2.3.3 准静态拉伸试验

2.3.4 单层板的实验应力-应变曲线

2.4 模型的建立

2.4.1 基于Petit-Waddoups模型的材料非线性分析

2.4.2 含材料非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型

2.5 本章小结

第三章 基于ANSYS的PE/PE层合板逐渐损伤数值模拟

3.1 有限元法及ANSYS概述

3.1.1 有限元法基本概念与分析过程

3.1.2 ANSYS软件及其在结构静力分析中的使用

3.2 基于ANSYS的PE/PE层合板逐渐损伤分析技术

3.2.1 复合材料损伤失效分析中的几何模型

3.2.2 本文的有限元单元与模型

3.2.3 含材料非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型在ANSYS上的实现

3.3 PE/PE复合材料逐渐损伤的数值模拟

3.3.1 材料非线性对复合材料单层板力学行为的影响

3.3.2 层合板算例试样及有限元模拟

3.3.3 利用模拟结果的层合板逐渐损伤分析

3.4 本章小结

第四章 基于模式识别的PE/PE复合材料损伤声发射检测分析

4.1 声发射技术及声发射信号概述

4.1.1 声发射技术原理

4.1.2 声发射技术特点与现状

4.1.3 声发射信号特点与表征

4.1.4 声发射信号分析技术

4.2 AE信号的模式识别技术

4.2.1 模式识别技术概述

4.2.2 模式识别技术在复合材料损伤声发射信号分析中的应用

4.3 声发射检测实验

4.3.1 复合材料试样

4.3.2 声发射实验检测系统与参数设定

4.4 基于声发射信号模式识别的PE/PE复合材料损伤失效机理分析

4.4.1 采用的模式识别软件与识别流程

4.4.2 AE信号预处理

4.4.3 聚类分析

4.4.4 聚类结果的确认

4.4.5 利用聚类结果的复合材料损伤失效机理分析

4.5 本章小结

第五章 PE/PE准各向同性层合板的损伤失效机理分析

5.1 PE/PE复合材料损伤AE信号无监督识别统一方法的建立

5.1.1 LDPE基体和UHMWPE纤维试样及试验

5.1.2 复合材料中未知信号类别的损伤源机制识别

5.1.3 对所建立UPR统一方法的评述

5.2 基于PR技术的PE/PE准各向同性层合板损伤AE信号分析

5.2.1 PE/PE准各向同性层合板试样与试验

5.2.2 PE/PE准各向同性层合板损伤AE信号的无监督识别分析

5.2.3 PE/PE准各向同性层合板损伤AE信号的有监督识别分析

5.2.4 PE/PE准各向同性层合板的损伤失效机理分析

5.3 含材料非线性的PE/PE层合板逐渐损伤模型有效性分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续研究展望

参考文献

附录 SHELL99单元初始材料属性计算公式

攻读学位期间发表论文情况

致谢