含张开非理想基体裂纹角铺设对称层合板有效剪切刚度预测研究

发布时间：2020-09-08 16:48

　　本文通过含张开非理想基体裂纹角铺设对称层合板刚度性能和力学性能的理论模型,考虑粗糙裂纹面间存在阻力的情况下对其材料性能的影响,研究它的有效剪切刚度,使理论结果更加符合材料的实际测试情况。主要的研究内容如下:(1)回顾了复合材料层合板研究的发展过程,对主要的理论方法进行系统性的综述,了解层合板的各种损伤机理和失效形式。(2)给出各向异性复合材料的基本方程和能量变分原理。单层板由纤维与基体组成,纤维按同一方向分布在基体内,从宏观上来看满足各向异性复合材料的基本方程,即平衡微分方程、几何方程和物理方程。(3)对于含张开非理想基体裂纹角铺设对称层合板[q_m90_n]_s,以一般函数形式设定层间剪切应力,从平衡方程和边界条件得到了张开裂纹的应力分量表达式,在其基础上利用最小余能原理,得出张开裂纹的控制方程组,然后通过解析分析求解,最终得出复合材料对称层合板的应力分布。(4)分析纤维桥联对复合材料层合板剪切模量的影响,通过理论模型数据与有限元数据和实验数据对比,验证理论模型的正确性,并计算桥联因子对有效剪切模量的影响。非理想张开基体裂纹,裂纹面非光滑并存有纤维桥联,这对层合板剪切模量的退化影响非常大。确定与评估含张开非理想基体裂纹角铺设对称层合板剪切模量,可以提高其整体强度,合理设计层合板,增大它的应用范围和延长层合板的使用寿命。
【学位单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

层合板,横向裂纹,基体

图 1-1 含基体横向裂纹的正交层合板绝大多数的研究调查含基体开裂的复合层合板的性能，假设裂纹是等间距的，因此分析可以被限制在包含一个裂纹的代表层合板，含横向开裂的正交铺设层合板的单元分析，通常简化为 Oxz 平面的平面问题，如图 1-1。1.2.2 分层层与层之间的分离定义为分层。这种分离是由在厚度方向上的拉伸应力或作用在与层界面平行的平面上的剪切应力所引起的。即便是在二维应力状态下薄层合板中，该层间应力也存在于诸如自由边缘等几何不连续性的情况下，同时也可能由机械和湿热载荷引起。更重要的是，内部缺陷的应力集中如裂缝的尖端使得分层区域的发展。在这

对称层合板,基体裂纹,几何模型,裂纹面

（b）图 3-1（a）含张开基体裂纹角铺设对称层合板单元的几何模型（b）在1x L处裂纹面的剪切载荷在经典的层合板弹性理论的基础上，对于无损层合板 mns 90在面内剪切载荷作用，9 0 层的正应力 1x 为拉应力或压应力，因此 90 层内基体裂纹有张开和闭合两种形式。本文主要针对 90 层为受损层，裂纹贯穿受损层的整个厚度，如图 3-1（a）。含张开基体裂纹角铺设对称层合板 mns 90受平面内剪切载荷作用，对于理想裂纹的层合板来说，由于裂纹面光滑，裂纹面间不存在纤维桥联，单元边界载荷主要由偏轴层（2）承担，且 90 层裂纹面上无正应力和切应力。对于非理想裂纹情况，裂纹面非光滑并受纤维桥联，考虑到纤维的弯曲对正应力的影响非常小，而纤维的拉伸对裂纹面的相对滑移的影响是不可忽视的。因此，可以认为含张开型裂纹的层合板，在非理想的裂纹面

应力图,对称层合板,层间剪切应力,裂纹

硕士学位论文间剪切应力 12zy 的峰值比层间剪切应力 12zx 的峰值要大。表明由于剪切应力( )=0=012zxz ，面内剪切应力xy 从层到 90°层的传递主要受层间剪切应力 12zy 的影响，因此层间剪切应力 12zy 在局部分层过程中起重要作用。从图 4-6 可以看出层间正应力 12z 在裂纹附近是压应力。理想裂纹应力分布的分析结果与 Huang 等人[54]的结果一致。

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