含缺口复合材料层合板拉伸性能研究

摘要

随着社会经济的快速发展，节能和环保逐渐成为全世界关注的重点。汽车轻量化也应运而生，使用各类轻质高强的复合材料成为实现汽车轻量化的有利途径。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)具有良好的使用性能，逐渐发展成为制作汽车零部件的理想材料。但是CFRP存在使用成本较高，回收利用率低的问题，使得众多学者不断寻找其他材料来弥补该缺点。玄武岩纤维(Basalt Fiber Reinforced Plastic，BFRP)凭借其绿色无污染、成本低的特点，逐渐走进汽车工业市场。无论是汽车内饰件或承载件，为了满足装配、连接、布线、降重等需要，大多数的零部件需要进行开缺口的处理。由于纤维是复合材料层合板的主要承力部分，开缺口破坏了纤维的连续性，容易引发缺口边缘应力集中和承载强度下降的问题。本文结合实验方法，理论法和仿真方法，系统的分析了开缺口层合板的失效机理、缺口边缘应力集中现象、层合板的剩余力学性能，主要研究内容如下：　　分别以BFRP和CFRP含缺口复合材料层合板为研究对象，以缺口尺寸、缺口形状为研究变量，通过准静态拉伸实验，研究了含缺口层合板的渐进失效行为，缺口边缘应力集中现象和剩余强度等。在实验中采用数字图像相关(DIC)技术，记录试件全场表面应变的演化过程和试件的渐进失效损伤行为。试验后使用扫描电镜技术分析了部分层合板损伤失效形态，使用有限元方法对比验证了全场表面应变分布和拉伸强度值。并引入了两种应力准则(WN-损伤模型)来预测不同变量下含缺口试件的拉伸强度。结果表明，理论预测的拉伸强度结果与实验和仿真结果吻合，其中圆形开孔试件的强度预测结果更好。　　基于WN-损伤模型的预测结果，提出了一种新的有限宽度应力准则公式对直槽型缺口试件的强度进行预测，通过实验结果与预测结果的对比可知，该公式同时适用于无限宽度和有限宽度含缺口层合板试件。为了进一步研究有限宽度应力准则的适用性，本文设计并开展了一系列的验证性实验。通过准静态拉伸实验，得到不同铺层次序、铺层角度和铺层厚度的含直槽型缺口试件的拉伸强度，并与有限宽度应力准则公式的预测结果进行对比。验证结果表明，该有限宽度应力准则公式能够预测具有不同变量的含直槽型缺口试件的拉伸强度，且准确性较高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 含缺口复合材料层合板研究现状

1.2.1 试验和模拟方法研究现状

1.2.2 理论研究现状

1.3 本课题的主要内容

1.4 本研究的主要创新点

第2章 连续纤维增强复合材料层合板理论力学基础

2.1 引言

2.2 复合材料弹性力学基础

2.2.1 各向异性弹性力学基本方程

2.2.2 各向异性弹性体的应力-应变关系

2.3 复合材料损伤模型

2.3.1 层内纤维损伤模型

2.3.2 层间基体损伤模型

2.3.3 应力集中系数

2.3.4 WN-应力准则

2.4 本章小结

第3章 CFRP/BFRP 层合板试样制备及力学性能测试

3.1 引言

3.2 试样制备工艺

3.2.1 真空辅助树脂传递模塑工艺

3.2.2 模压成型工艺

3.3 试样力学性能测试

3.3.1 实验设备介绍

3.3.2 DIC 技术和试件预处理

3.3.3 基础力学性能测试

3.3.4 数据处理方法

3.4 本章小结

第4章 含缺口层合板准静态拉伸性能研究

4.1 引言

4.2 准静态拉伸实验方案

4.2.1 圆型、直槽型缺口层合板试样准备

4.2.2 准静态拉伸实验过程

4.3 准静态拉伸有限元分析模型

4.4 结果分析

4.4.1 拉伸载荷曲线分析

4.4.2 开孔板特征参数分析

4.4.3 渐进失效分析

4.4.4 应力分布分析

4.4.5 局部应变测量结果分析

4.4.6 失效特性分析

4.5 特征参数实验预测

4.6 本章小结

第5章 有限宽度应力准则适用性研究

5.1 引言

5.2 有限宽度应力准则

5.3 实验测试方案

5.3.1 方案介绍

5.3.2 测试过程

5.4 结果分析

5.4.1 载荷-位移曲线分析

5.4.2 直槽板特征参数分析

5.4.3 应力分布分析

5.4.4 失效特性分析

5.5 特征参数预测和对比

5.5.1 WN-应力准则预测结果及误差

5.5.2 有限宽度应力准则预测结果及误差

5.5.3 有限宽度应力准则的适用性

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所获得的研究成果与科研经历

致 谢