含拼接铺层碳纤维增强树脂复合材料拉伸破坏机制

摘要

对于尺寸较大或形状复杂的结构,通常需要在纤维增强树脂(FRP)复合材料内部对铺层进行拼接处理.铺层拼接会在材料内部引起复杂的应力分布,具有突出的安全隐患.以同一位置处出现不同层数铺层拼接的单向碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料为研究对象,重点分析了铺层拼接对材料拉伸力学性能的影响机制.通过拉伸实验,测试了拼接对其力学强度的影响;用相机记录了破坏过程,并结合数字图像相关技术(DIC)对拼接位置附近的应变场进行了监测.利用有限元模型(FEM)模拟和分析结构的破坏机制,采用3D-Hashin准则和渐进损伤模型对CFRP复合材料铺层进行模拟;采用内聚力模型对胶层失效行为进行描述.实验结果表明,拼接结构的引入大幅降低了材料的抗拉强度.FEM模拟与实验测试结果吻合度高,说明了模型的有效性.综合实验结果和模拟分析得到,铺层拼接处产生应力集中,造成被拼接的两部分分离并伴随拼接铺层和连续铺层的层间剪切破坏;层间破坏发生后,拉伸载荷完全由连续铺层承载.因此,材料的最终承载能力由材料中连续铺层数决定.