泡沫夹芯复合材料界面断裂机理和增韧研究

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泡沫夹芯复合材料界面断裂机理和增韧研究

  评论:0 条   查看:104 次   gqgmzhang 发表于 2015-12-19 19:22

【摘要】： 泡沫夹芯复合材料不仅具有弯曲刚度高、轻质的力学特点,同时拥有隔音、吸能、热控制等独特的功能性,已被广泛地应用于航空、航天、交通运输和建筑等工程结构中成为极具发展前景的新型功能结构材料之一。然而,由于面板和芯体材料性能的失配特征,在制造成型和服役期间,在其芯体和面/芯界面将不可避免地出现裂纹和损伤等缺陷,从而降低了其承载能力。鉴于此,本论文将从宏观和细观层次,分别对泡沫芯体和面/芯界面裂纹的起裂特性及扩展行为开展了较为深入的研究,并在此基础上,通过实验和机理研究论证了采用短纤维增韧界面的可行性。该项研究是属于国家重点基础研究发展计划973计划课题“超轻多孔材料与结构创新构型设计优化新理论”(2006CB601205)、国家自然科学基金面上项目“夹芯复合材料界面裂纹动态起裂和扩展机理的跨尺度研究”(10672027)和国家自然科学基金重点项目“面向近空间飞行器的多功能超轻质结构设计优化理论”(90816025)子课题的重要研究内容之一,另外,还受到基金项目(10702012)的资助。论文主要研究工作如下： 1.基于泡沫材料细观孔洞的非均匀性的非线性断裂行为研究 金属或聚合物泡沫是夹芯复合材料常用的芯体材料。由于其细观上孔洞不均匀性,在宏观上不仅表现为塑性可压缩性,同时屈服应变和失效强度亦将呈现随机分布的特征。为了研究其随机分布特征对泡沫材料非线性断裂特性的影响,本文分别建立了屈服应变和最大内聚力的Weibull随机分布函数表达式,将静水压力的影响引入到连续本构模型,得到了宏观尺度上的泡沫材料本构关系。并采用有限元法研究了泡沫材料的非线性断裂参数J积分的统计特性,通过典型算例讨论了Weibull随机分布参数对本构关系和J积分值的影响,得到了泡沫材料相对密度与J积分值的变化规律。 2.考虑面/芯界面黏弹性层特征的复合材料夹芯梁的界面裂纹的起裂分析和扩展研究 (1)目前对夹芯复合材料界面断裂的研究,大部分研究工作者是将夹芯复合材料视为一种由面板和芯体组成的双材料体系,其面/芯界面可简化为一种无厚度的理想界面。然而,在某些情况下,这种简化界面模型在研究具有黏弹性性质胶接界面的夹芯复合材料界面断裂问题时是不够精确的。在本文中,作者提出了一种考虑界面相的三相介质夹芯材料断裂分析模型,采用三参数标准固体材料模型表征界面相的黏弹性性质,并考虑了界面相的几何特征。基于有限元法分别研究准静态和不同加载速率下夹芯复合材料黏弹性界面的断裂特征参数J积分。由典型算例结果,讨论了界面黏弹性性质、几何特征和加载速率对J积分值的影响。 (2)传统的内聚区模型结合了损伤力学和断裂力学分析模型的各自特点,同时,裂纹扩展时网格不需要重构,分析精度对网格密度不敏感等一系列优点,已广泛的应用于界面裂纹扩展模拟中。但是目前的常用的内聚区模型只考虑了内聚区内相对位移的影响,不能正确反映具有黏弹性性质的夹芯复合材料面／芯界面裂纹扩展时与加载速率的相关性。作者基于黏弹性理论,将传统的内聚区模型与不同的黏弹性元件相结合,构造了率相关的黏弹性内聚区模型,讨论了加载速率对内聚区能量和内聚力的影响。通过典型算例,探讨了该模型的适用范围和影响参数。 3.具有短纤维增韧的复合材料夹芯梁界面断裂实验和机理研究 夹芯复合材料面／芯界面增韧研究是一项具有理论和工程价值的课题,而目前在国内外有关夹芯复合材料界面增韧的实验和多尺度理论机理的研究其公开报道还鲜见。本文采用真空辅助树脂注射工艺制成了含短纤维增韧与未增韧的复合材料夹芯梁,并测定相应的界面断裂韧性。在细观尺度上,研究了单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散；通过引入短纤维在界面内随机均匀分布的假定,得到了在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。而在宏观尺度上,建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型,并在界面上引入非线性弹簧单元,以反映界面短纤维所产生的桥联特征,采用了虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型算例对复合材料夹芯梁的界面断裂进行了数值模拟,并讨论了细观参数对界面断裂韧性的影响。研究结果表明：在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。 本论文所提出的分析模型、理论、方法和所得到的结论将对夹芯复合材料的界面失效和增韧机理的研究具有科学价值。

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