FRP拉挤型材层间断裂力学性能研究

发布时间：2017-05-13 20:09

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【摘要】：纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)因其比强度高、比刚度大、可设计性等优点首先被应用于航空工业,近年来逐步运用于建设工程领域。随着高性能纤维生产成本的大幅度下降、产品性能渐趋稳定,纤维增强复合材料的应用范围更加广泛,需求量也显著增加。复合材料用量的增加促进了复合材料力学的发展。为保证复合材料使用的可靠性,必须解决其破坏规律及强度准则问题,因此复合材料断裂力学就成为大家最关心的研究课题之一。众所周知,线弹性断裂力学对预示均质各向同性材料的断裂规律取得了极大的成功。但是对于纤维复合材料这样的非均质各向异性材料,线弹性断裂力学只在极有限的情况适用。FRP拉挤型材是由单层板组成的层合结构材料,层间断裂是其主要的损伤形式。目前主要采用宏观力学中的经典层合板理论对该材料进行强度和破坏研究。随着层合板厚度的增加,仅假设材料处于平面应力状态而忽视材料实际处于三维应力状态且层间应力较大的客观情况已然不合实际。本文提出了一种新的非线性断裂分析模型,并运用该模型研究厚型纤维增强复合材料Ⅰ型断裂破坏。这种分析模型采用三维细观力学模型分析裂纹扩展过程中所呈现出来的非线性材料行为。本文通过裂纹试样的断裂试验来预测和验证极限荷载和裂纹扩展行为。试验中的试样为市场上常用的玻璃纤维／环氧树脂厚型FRP拉挤型复合材料,试验结果可以证明非线性本构关系模型分析材料断裂行为的适用性。试验采用偏心荷载,单边切口拉伸(ESE(T))即紧凑拉伸试样测量拉挤型复合材料Ⅰ型断裂韧度。材料非线性和裂纹扩展等因素对材料性能的影响可以通过上述模型进行分析研究。材料的正交各向异性对应力强度因子的影响可通过虚拟裂纹闭合法求解。试验和理论分析计算结果支持采用ESE (T)试样测量材料的Ⅰ型断裂韧度。本研究的实验和分析结果所形成的公式可以作为材料结构设计的断裂分析的参考工具。同时还通过三点弯曲断裂试验以及断裂能的逆推公式确定了断裂能与缝高比、裂缝尖端宽度的线性拟合关系,并建立了材料的双线性软化关系模型参数与实验结果的方程。
【关键词】：纤维增强复合材料 三维细观力学模型 非线性本构关系 断裂响应
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU599
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 1 绪论7-23
• 1.1. 研究背景7-11
• 1.1.1 FRP拉挤型材材料及其种类7
• 1.1.2 FRP拉挤型材的制造方法7-8
• 1.1.3 FRP拉挤型材的构造形式8-10
• 1.1.4 FRP材料及其工艺特点10-11
• 1.2. 文献综述11-19
• 1.2.1. 本节引论11-12
• 1.2.2. 国内研究综述12-16
• 1.2.3. 国外研究综述16-19
• 1.3. 研究内容19-20
• 1.4. 技术路线20-21
• 1.5. 研究意义21-23
• 2 材料特性及本构关系模型23-33
• 2.1. 材料简介23-24
• 2.2. 细观力学模型应用公式24-28
• 2.2.1. 粗纱层代表单元26-27
• 2.2.2. 双轴布代表单元模型27-28
• 2.2.3. 数值计算方法28
• 2.3. 材料试验28-29
• 2.4. 细观力学模型校准29-30
• 2.5. 初始刚度和非线性响应的预测30-33
• 3 Ⅰ型断裂韧性分析33-41
• 3.1. 试验装置和试件制备33-37
• 3.2. 材料正交各向异性的影响37-40
• 3.3. 本章小结40-41
• 4 材料软化关系研究41-49
• 4.1. 计算模型41-43
• 4.1.1. 双线性软化本构关系41-42
• 4.1.2. 断裂能的确定42-43
• 4.2. 三点弯曲断裂试验43-48
• 4.2.1. 试验材料与试件制作43-44
• 4.2.2. 试验装置44
• 4.2.3. 试验结果分析44-48
• 4.3. 本章小结48-49
• 5 结论和进一步的研究49-51
• 5.1. 结论49-50
• 5.2. 下一步研究方向50-51
• 参考文献51-57
• 个人简介57-58
• 导师简介58-59
• 获奖成果目录59-60
• 致谢60

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4 任，

本文编号：363497