随机云杉短纤维复合材料的等效性能及其尺度影响

摘要

植物短纤维复合材料凭借其较高的比刚度、比强度以及良好的抗磨损特性被广泛的应用于汽车工业和建筑行业,等效性能是该类型复合材料的重要设计指标。除实验外,数值方法在复合材料等效性能的预测和研究中发挥重要作用。
　　对云杉短纤维增强聚丙烯复合材料,本文建立了二维有限元单胞模型,考虑纤维体积含量、长细比等因素,预测了复合材料等效弹塑性能。在六种经典的理论模型中,预测结果与λ=1.7时的Wu理论结果符合较好。研究了应力在各向异性云杉纤维中的传递机制,初步预测了Cohesive Zone Model(内聚力模型)中纤维基体界面的法向粘结强度。
　　建立了随机云杉短纤维复合材料的周期性代表体元模型。编写Python程序,生成不同尺度的代表体元模型,施加周期性边界条件,考虑云杉纤维各向异性、纤维随机材料主方向、随机位置、随机取向、长细比和体积含量等因素的影响,采用均匀化方法计算了材料的等效弹性性能。对两种不同纤维含量的复合材料,分别研究模型(单胞)尺度对其等效弹性模量的影响。结果表明,在纤维尺度上,复合材料呈现各向异性,随着模型尺度增大,材料等效性能趋于均匀各向同性。
　　实验测定了随机云杉短纤维复合材料的压缩和循环压缩载荷下的应力应变曲线。用Cohesive Zone Model表征纤维基体界面的力学行为,建立了云杉/聚丙烯复合材料的压缩有限元模型。研究了界面法向刚度、切向刚度、初始分离位移和完全破坏位移等界面参数对压缩弹性模量的影响。结果表明,法向界面刚度对复合材料压缩弹性模量影响较大,其他参数影响较小。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究进展

1.3本文的主要工作及创新点

第二章 二维单胞模型的等效弹塑性性能分析与细观力学研究

2.1模型描述

2.2边界条件

2.3等效弹塑性性能预测

2.4应力传递机制

2.5界面法向粘结强度预测

2.6本章小结

第三章 周期性代表体元的弹性性能分析

3.1二维双向随机分布周期性代表体元模型的建立

3.2周期性代表体元最小尺寸的确定

3.3周期性代表体元的等效弹性性能预测

3.4本章小结

第四章 云杉短纤维增强复合材料的压缩行为研究

4.1云杉短纤维增强复合材料压缩性能实验研究

4.2考虑界面影响的压缩行为数值分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2二维模型的研究展望

5.3三维模型的建立与研究

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录1

附录2：CSS-44100电子万能试验机主要技术参数

致谢