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纺织纤维增强复合材料的破坏模拟

邢孟秋  
【摘要】: 纤维增强复合材料中,纤维和基体在外载作用下的破坏问题一直是复合材料力学性能研究的热点,所以纤维和基体之间的界面对复合材料的力学性能起着至关重要的作用。目前在这一领域内常用的研究和分析方法有试验、解析法以及数值解法。但试验方法费时费力,结果的可重现性较差,而且对纤维增强复合材料的界面问题几乎无法得到解析解。所以,使用数值法来研究纤维和基体之间的界面力学性能目前在国际上已成为主流。但是,大多数已有的研究工作并未考虑基体材料的非线性、发生大变形时复合材料的几何非线性效应,以及温度等环境条件的影响。此外,研究界面脱粘引起的裂纹时,考虑的应力强度因子也尚未能全面反映组成复合材料的纤维和基体的不同属性。 本论文正是针对以往研究中的不足,在对纤维增强复合材料破坏问题进行数值模拟的研究中,综合考虑了纤维和基体材料的非线性效应、纤维和基体材料受外载发生大变形时的几何非线性,以及纤维基体之间界面脱粘时接触单元的非线性效应。 全文论述从四个方面展开的工作:单纤维复合材料抽拔试验的有限元数值模拟,单纤维复合材料逐节断裂试验的有限元数值模拟,蒙特卡罗方法模拟单纤维复合材料受拉破坏过程,无网格SPH算法在复合材料受冲击破坏过程中的V_(50)数值模拟。 论文的第一部分是对单纤维增强复合材料的抽拔破坏过程所进行的有限元法的模拟和讨论。在与本部分有关的研究工作中,首先将纤维和基体完全粘结假设下的解析解和有限元解进行两个方面的比较:纤维的轴向应力,界面的剪切应力。两种方法所获得的结果曲线趋势基本一致,只在纤维的两端处有较大的偏差。而使用剪切滞后法得到的解正是在纤维两端有相当大的误差,有限元法则可以缩小这种误差。 然而完全粘结的假设过于理想,与实际应用相差较大,因此,本论文将有限元法,接触算法和单元生死法结合起来,研究较大抽拔力作用下,纤维与基体之间发生的逐步脱粘的过程,所得到的抽拔力的变化结果,与试验数据比较,较为一致。模拟出的抽拔力随位移的变化曲线,能明确显示出界面脱粘的开始、结束,以及完全脱粘后克服摩擦力的滑 移过程,验证了其应用的合理性。 在这一部分工作的最后,采用能量法与有限元法结合起来,模拟纤 维抽拔试验中裂纹的扩展:针对以往研究工作中的不足之处,在模拟中 使用能量释放率,在表征界面破坏时,所使用的应力强度因子考虑了纤 维和基体两种材料的不同属性,并考虑裂纹尖端的单元奇异性,来研究 裂纹长度和温度对裂纹扩展的影响。模拟所得到的结果与实际的断裂经 验结果完全一致,即:纤维半径一定时,裂纹长度越小,发生断裂失稳 的可能性就越小,因为裂纹尖端释放的能量可以更容易由表面自由能的 增加得到补偿;当裂纹长度一定时,纤维半径越小,断裂失稳的可能性 就越大。此外,在同样条件下,温度越高,能量释放率就越大。 论文的第二部分主要对单纤维增强复合材料的逐节断裂试验中材料的 破坏过程进行有限元模拟和研究。单纤维逐节断裂试验是细观力学中用 于表征纤维/基体界面热机械性能使用最频繁的手段之一,原因是该方法 提供了一非常方便,可重复性较好的试验手段。在论文的这部分工作 中,使用有限元法描述和分析了逐节断裂试验中初始应变下的纤维轴向 应力和界面相剪切应力,温度对界面应力传递的影响,界面相模量和厚 度、纤维节长宽比、界面脱粘过程、界面接触中的摩擦效应等因素对逐 节断裂试验中应力传递的影响。 模拟结果显示,单纤维复合材料逐节断裂试验中,当初始应变增加 时,轴向应力减小。轴向最大应力的大幅度减少意味当基体的初始塑性 流动增加时,基体的应力传递效率大幅度降低,需要增加纤维长度来完 成应力传递。而且,在较小的初始应变下,相对于较大的初始应变,界 面相更容易发生剪切破坏(脱粘)。此外,残余热应力对应力传递有一 定的影响,会引起传递效率的下降。 在这部分工作中还探讨了纤维/基体之间界面相的效应。模拟结果显 示,界面相模量对轴向应力的影响不很明显:本论文通过界面相的模量 变化来研究其对纤维轴向应力和界面相剪应力的影响,其中,界面相的 弹性模量有两种取法:其一,整个界面相具有均一的弹性模量,取基体 和纤维弹性模量的平均值;其二,界面相中,从纤维附近到基体附近的 单元的模量是纤维模量到基体模量线性变化。界面相模量线性变化得到 的剪应力结果比较保守。 对界面相厚度影响的研究表明,从一定程度上来说界面相厚度增加 并不会导致应力传体效率相应的提高。 这部分工作还讨论了纤维节长直径比、脱粘以及摩擦系数等因素对 产二 界面应力传递的影响: 逐节断裂试验中,当纤维节长直径比很小时,纤维的轴应力将无法 到达应力平台区,说明了应力传递效率的减少。 逐节断裂试验中,伴随纤维断裂的是纤维与界面相或基体的脱粘。 这是由于纤维断裂处自由边的剪应力奇异,而引起界面的失效。模型考 虑断裂处开始的界面裂纹,结果显示,界面相剪切应力分布在裂纹尖端


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