编织碳纤维层合板组分材料损伤和界面强度研究

摘要

编织碳纤维增强树脂基复合材料层合板具有轻质高强的优异力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、工业品等领域。但编织碳纤维的编织方式、纱线选材以及复合的树脂基体选材都会影响层合板的力学性能和损伤状态，从而影响其使用效能。 本文从面外压入试验入手，分析修改参数后的二维Hashin强度判据对该材料进行损伤分析时的适用性，进而应用于三点弯曲模拟中组分材料失效的判定；从介观尺度上描述了周期性重复单元在受单向载荷时，其材料刚度退化、纱线中基体的损伤和残余弹性模量的计算。具体工作及结论如下： （1）设计了编织碳纤维增强E51环氧树脂层合板面外压入变形实验，通过不同的压头位移载荷，确定不同阶段的材料损伤状态；在渐进损伤算法框架下使用二维Hashin强度判据判定纤维和基体的失效。结果表明，编织碳纤维增强树脂基层合板在受面外球头压入载荷时，起始失效可能发生在经纱或纬纱，当某一纱线发生了纤维拉伸失效，裂口将沿另一纱线的排布方向扩展，体现为某一方向纱线为纤维失效而另一方向纱线为基体失效； （2）在受载过程中，层合板受任意载荷时，编织纤维中的各纱线之间存在相互阻碍的现象，这将导致纱线中局部应力过高，进而造成材料过早失效。为了尽可能精确的预测纤维束中的应力，论文通过测量试样的截面弯曲角度和引导线的波动角度，结合纱线的几何尺寸和与单层板的空间位置关系，建立了真实层合板中经纱的三维纤维波动模型（FUM）；基于Fortran语言开发了材料本构子程序VUMAT，实现了任意纱线部件中基体组分材料的刚度退化；基于简单混合率模型（SROM）推导出自定义的基体损伤因子，实现了由基体刚度退化引起的刚度矩阵中全元素的退化，最终获得准确的应力预报； （3）界面强度计算上，通过采用连续壳模型与内聚力单元（cohesive element）实现了平面应力分析与层间界面强度分析相结合；使用双线性张力-位移法则（Traction Separate Law）描述界面单元的力学行为；使用二维Hashin强度判据定义组分材料的失效。根据上述前提，进行了AS碳纤维/环氧树脂和T300/PR319层合板在三点弯曲试验条件下的模拟损伤分析。结果表明，低刚度、低强度的基体材料有利于载荷的传递，可用作耐冲击或易变形的层合板制品的基体材料；高刚度、高强度的基体材料的整体刚度较高，可用作层合板结构件制品中的基体材料。

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