竹原纤维增强复合材料拉伸破坏行为的表征和模拟

发布时间：2017-07-29 11:18

  本文关键词：竹原纤维增强复合材料拉伸破坏行为的表征和模拟

  更多相关文章： 天然纤维 复合材料 破坏机制 力学行为 数值模拟

【摘要】：玻璃纤维、碳纤维等纤维复合材料的开发和利用推动了人类社会的发展,但随之而来的环境污染问题已经引起了社会的高度关注。天然植物纤维作为一种新型纤维增强材料,其具有资源丰富、生产成本低廉、可生态降解、比强度高等优点,兼备环境友好和生态优势,成为取代传统合成纤维的新型材料产业,其复合材料的生产和应用降低了塑料工业对经济和环境的压力。本文首先对单向竹原纤维增强复合材料进行拉伸破坏实验,利用扫描电子显微镜测试方法(Scanning Electron Microscope,SEM)技术对复合材料拉伸断裂横、纵截面的微观结构形貌进行观察,建立这类复合材料的多重损伤细观破坏力学模型,即纤维断裂同时伴随局部基体的拉伸破坏和纤维/基体界面劈裂。将每一根纤维断裂及其伴随的基体开裂和界面劈裂定义为一个损伤实体,建立的多重损伤模型反映了损伤模式间的相互耦合和竞争。基于剪切滞后模型和影响函数叠加的方法,发展了一套包括纤维和基体拉伸特性、界面剪切劈裂的多纤维断裂诱导应力与变形重分配的近似应力分析方法,为预测复合材料的渐进破坏行为奠定了理论基础。其次,考虑到天然植物纤维长度以及纤维与纤维之间直径的不同对其内部缺陷分布乃至纤维强度的影响,对竹原纤维强度的分散性进行了研究,即分别采用Weibull线性模型和指数模型探讨了竹原纤维强度的分布特征。采用最大似然估计方法(Maximum Likelihood Estimation,MLE)和多数组集合方法(Multiple Data Set,MDS)对获取的多组尺寸下的纤维强度进行拟合,得到所需的Weibull参数。将两种模型下的强度预测值与实验值进行了比较,发现:由于直径的不均匀性使得纤维强度呈现出较大的分散性;同线性模型相比,指数模型更适合于描述天然纤维的强度分布。最后,将纤维拉伸强度看作一个随机变量,通过采用Monte-Carlo方法模拟复合材料的拉伸破坏行为,包括:(1)获取了纤维、基体等组分材料的损伤累积效应,发现纤维断裂是此类复合材料的主要破坏方式;(2)除了纤维断裂外,界面和基体的损伤使得材料的应力-应变响应呈现出非线性关系;(3)得到了复合材料拉伸强度的尺寸效应,表明强度对复合材料尺寸具有敏感性;(4)随着纤维体积百分含量的增加,纤维断裂引起的局部应力集中将会有效地传递给相邻纤维,使得纤维承担外载的能力增强,从而提高了复合材料的强度;(5)随着纤维强度分散性的增加,复合材料的力学性能将降低。通过以上实验结果和数值模拟的对比,验证了这种多尺度方法对于表征和模拟天然纤维增强复合材料拉伸破坏行为的有效性。本文旨在考虑组分材料细观结构特征,从材料微观损伤机理的基础上建立描述植物纤维复合材料破坏行为的力学模型,发展一种反映其渐进损伤行为的强度预测模型,揭示细观破坏机制与宏观力学性能之间的内在联系,推动天然纤维复合材料的应用。
【关键词】：天然纤维 复合材料 破坏机制 力学行为 数值模拟
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-16
• 1.1.1 纤维增强复合材料及其应用9-10
• 1.1.2 天然纤维增强复合材料及其特点10-12
• 1.1.3 天然纤维复合材料的应用前景12-16
• 1.2 国内外研究现状16-18
• 1.3 本文的研究意义及研究内容18-21
• 1.3.1 研究意义18-19
• 1.3.2 研究内容19-20
• 1.3.3 研究特色和创新性20-21
• 第二章 复合材料的制备及力学试验21-30
• 2.1 复合材料的制备21-24
• 2.1.1 材料准备21
• 2.1.2 实验仪器及试剂21-22
• 2.1.3 制备工艺22-23
• 2.1.4 实验结果与讨论23-24
• 2.2 复合材料的拉伸测试24-25
• 2.2.1 实验仪器及相关参数24
• 2.2.2 实验内容24
• 2.2.3 实验结果与讨论24-25
• 2.3 复合材料的损伤行为表征25-28
• 2.3.1 实验仪器25-26
• 2.3.2 损伤模式26-27
• 2.3.3 损伤机理分析27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第三章 复合材料拉伸断裂行为的数值模拟30-48
• 3.1 多重损伤模型30-31
• 3.2 复合材料应力场的求解31-40
• 3.2.1 剪切滞后模型32-34
• 3.2.2 控制方程34-39
• 3.2.3 影响函数叠加方法39-40
• 3.3 MONTE-CARLO方法40-46
• 3.3.1 纤维的统计强度40-45
• 3.3.2 模拟流程45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 算例及讨论48-56
• 4.1 复合材料的拉伸渐进破坏过程48-50
• 4.2 复合材料拉伸强度的预测50-55
• 4.2.1 离散单元尺寸的影响50-51
• 4.2.2 试件尺寸的影响51
• 4.2.3 纤维体积百分含量的影响51-52
• 4.2.4 纤维强度分布的影响52-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 结论与展望56-58
• 5.1 结论56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士期间学术成果71

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本文编号：588924