含纤维桥接的复合材料层合板分层扩展内聚力模型
发布时间：2020-08-03 08:11
【摘要】：先进碳纤维复合材料由于较高的比强度、比刚度和刚度可设计等优点,在航空航天等领域中得到广泛应用。层合板是最为常用的复合材料构型之一,但是由于较弱的层间性能,分层成为其主要的失效形式。数值模拟作为研究分层的一种重要手段,提高其客观性和易用性一直是学者们关注的热点。目前的分层数值模拟多集中于单向层合板,而工程中常用的是多向层合板,准确模拟多向层合板分层扩展行为更具有实际应用价值。不同于单向层合板,多向层合板分层扩展的过程中常常伴随着大量的纤维桥接,导致分层扩展阻力显著增加,表现为典型的R曲线特征。在考虑纤维桥接的增韧机理对多向层合板分层扩展行为影响的基础上,本文开展了T700/QY9511材料体系多向层合板分层扩展的数值模拟研究,并取得了以下创新性研究成果:(1)从分层失效的微观机理出发,原创性地提出了一种物理意义明确、参数体系简单的新型三线性内聚力模型。模型不依赖于分层扩展过程,将纤维桥接的增韧机理从本构关系中引入,能够准确反映层间纤维桥接区域的应力分布,进而揭示分层扩展阻力的形成机制。(2)开发了三线性本构关系的数值程序,并对应用新型内聚力模型研究分层问题的参数进行了系统研究。分别基于二维和三维模型讨论了通用建模参数和本构关系参数,提出了合理的参数研究流程,确定了以强度为核心的参数体系。对T700/QY9511材料多向层合板分层数值模拟的结果与试验吻合度极高,论证了模型参数研究方案的正确性。综上所述,本文基于内聚力模型方法,提出了一种新的三线性本构模型,给出了合理的参数研究方案,并结合二次开发实现了对模型的验证和参数的讨论。模型具有明确的物理意义和简单的参数体系,能够对多向层合板分层扩展行为进行准确模拟。本文的工作为复合材料多向层合板的分层数值模拟提供了有效的支持。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：
2 国内外研究现状2.1 复合材料层合板分层试验研究现状复合材料层合板的分层属于两种各向异性材料界面的裂纹，裂纹的扩展导层破坏[5]。根据复合材料结构的受力不同和树脂基体的韧性差异，从微观尺度合板的分层扩展可分为三种基本模式：I 型（拉伸型），II 型（剪切型）和（撕开型），如图 1.1 所示。工程实际中，分层扩展主要以 I 型、II 型和 I/I型存在，III 型存在的比例相对较小。Bradley 等人[6]认为，在以脆性树脂为基复合材料体系中，I 型分层前缘中微裂纹会随着分层的扩展而生长合并，进而纤维和基体的脱粘，脱粘过程通常会诱发纤维的桥接和断裂。II 型和 III 型剪式下的分层在前缘处的微裂纹发生合并后，将沿着与铺层角度呈 45°的方向。微裂纹的合并在树脂基体处呈现锯齿状。而在韧性树脂基体体系中，分层的驱动力主要来自于分层前缘的塑性变形，扩展过程伴随着层间脱层和韧性现象。
率 C作为断裂韧度，若满足 ≥ C，则新的裂纹面形成，裂纹前缘向前移动。应力集中因子和应变能释放率在本质上是等效的，Chyanbin[8]用两种概念分析了复合材料层合板的分层扩展，指出由于分层前缘的数值震荡严重，原始的应力集中因子概念需要修正，并建立了改良后应力集中因子与应变能释放率之间的转换关系。在对层合板不同模式断裂韧度的测量方法研究中，产生了一系列试验标准。对于 I 型断裂韧度主要采用 DCB（Double Cantilever Beam）试验方法获取，该方法已被纳入到 ASTM D5528-13 标准[9]。和 ISO 15024 标准[10]。II 型断裂韧度主要采用 ENF（End Notched Flexture）和 4ENF（Four-point ENF）试验方法获取，其中 ENF 方法已被纳入到 ASTM D7905/D7905M-14 标准[11]、中国航空工业标准HB7403-96[12]和日本 JSA K7086 标准[13]。由于 II 型裂纹扩展的稳定区域较小，因此试验一般在不稳定区域进行，能够测得的仅为断裂韧度的起始值。对于 I/II 混合型分层扩展，MMB（Mixed Mode Bending）试验方法方便调节不同模式混合比，所以被广泛采用，该方法已被纳入到 ASTM D6671/D6671M-13e1 标准[14]。相关试验的示意图如图 1.2 所示：
纤维桥接是指在分层扩展过程中，分层前缘在复杂应力场下发生“跳跃”，造成的部分纤维拔出。拔出的纤维会降低分层前缘处的应力集中并增加分层扩展的阻力，导致断裂韧度随分层扩展长度的增加而变大——即R曲线，如图1.3所示。De Moura 等人[24]通过刀片切割桥接纤维后，发现分层扩展过程中断裂韧度保持为常值，由此论证了纤维桥接是造成 R 曲线特征的主要原因。已有文献[25]指出，当桥接区域的尺寸远小于试件最小尺寸时，R 曲线可视为材料固有属性，而当存在大面积纤维桥接时，R 曲线的形状明显依赖于试件尺寸。S rensen 等人[26]开展了不同尺寸试件的 DCB 试验，提出了用不依赖于试件尺寸的纤维桥接律来描述大量纤维桥接对断裂韧度的影响
本文编号：2779351
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：
2 国内外研究现状2.1 复合材料层合板分层试验研究现状复合材料层合板的分层属于两种各向异性材料界面的裂纹，裂纹的扩展导层破坏[5]。根据复合材料结构的受力不同和树脂基体的韧性差异，从微观尺度合板的分层扩展可分为三种基本模式：I 型（拉伸型），II 型（剪切型）和（撕开型），如图 1.1 所示。工程实际中，分层扩展主要以 I 型、II 型和 I/I型存在，III 型存在的比例相对较小。Bradley 等人[6]认为，在以脆性树脂为基复合材料体系中，I 型分层前缘中微裂纹会随着分层的扩展而生长合并，进而纤维和基体的脱粘，脱粘过程通常会诱发纤维的桥接和断裂。II 型和 III 型剪式下的分层在前缘处的微裂纹发生合并后，将沿着与铺层角度呈 45°的方向。微裂纹的合并在树脂基体处呈现锯齿状。而在韧性树脂基体体系中，分层的驱动力主要来自于分层前缘的塑性变形，扩展过程伴随着层间脱层和韧性现象。
率 C作为断裂韧度，若满足 ≥ C，则新的裂纹面形成，裂纹前缘向前移动。应力集中因子和应变能释放率在本质上是等效的，Chyanbin[8]用两种概念分析了复合材料层合板的分层扩展，指出由于分层前缘的数值震荡严重，原始的应力集中因子概念需要修正，并建立了改良后应力集中因子与应变能释放率之间的转换关系。在对层合板不同模式断裂韧度的测量方法研究中，产生了一系列试验标准。对于 I 型断裂韧度主要采用 DCB（Double Cantilever Beam）试验方法获取，该方法已被纳入到 ASTM D5528-13 标准[9]。和 ISO 15024 标准[10]。II 型断裂韧度主要采用 ENF（End Notched Flexture）和 4ENF（Four-point ENF）试验方法获取，其中 ENF 方法已被纳入到 ASTM D7905/D7905M-14 标准[11]、中国航空工业标准HB7403-96[12]和日本 JSA K7086 标准[13]。由于 II 型裂纹扩展的稳定区域较小，因此试验一般在不稳定区域进行，能够测得的仅为断裂韧度的起始值。对于 I/II 混合型分层扩展，MMB（Mixed Mode Bending）试验方法方便调节不同模式混合比，所以被广泛采用，该方法已被纳入到 ASTM D6671/D6671M-13e1 标准[14]。相关试验的示意图如图 1.2 所示：
纤维桥接是指在分层扩展过程中，分层前缘在复杂应力场下发生“跳跃”，造成的部分纤维拔出。拔出的纤维会降低分层前缘处的应力集中并增加分层扩展的阻力，导致断裂韧度随分层扩展长度的增加而变大——即R曲线，如图1.3所示。De Moura 等人[24]通过刀片切割桥接纤维后，发现分层扩展过程中断裂韧度保持为常值，由此论证了纤维桥接是造成 R 曲线特征的主要原因。已有文献[25]指出，当桥接区域的尺寸远小于试件最小尺寸时，R 曲线可视为材料固有属性，而当存在大面积纤维桥接时，R 曲线的形状明显依赖于试件尺寸。S rensen 等人[26]开展了不同尺寸试件的 DCB 试验，提出了用不依赖于试件尺寸的纤维桥接律来描述大量纤维桥接对断裂韧度的影响
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 吴义韬;姚卫星;沈浩杰;;层合板混合模式分层扩展能量准则评估[J];南京航空航天大学学报;2014年03期
2 曹春晓;;一代材料技术,一代大型飞机[J];航空学报;2008年03期
本文编号：2779351
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