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复合材料对称层合板的强度预测

王放  
【摘要】:复合材料是指由两种或者两种以上的材料所组成的一种有用的多相材料。作为一种新型材料,它具有传统单一材料所不可能具备的优越性能,以其优良的层间力学性能和较低的制造成本,尤其是在航天和航空领域上具有很好的应用前景。但是,随着复合材料应用的不断增加,复合材料结构的损伤与失效将不可避免。然而与金属材料相比,复合材料具有更为复杂的失效模式,即金属在静态和循环载荷下,断裂大多是单个裂纹或者是几个裂纹的行核和扩展,其失效模式较为单一;而复合材料的断裂则是多种失效形式(比如基体开裂、界面脱粘、纤维断裂和分层等)的起始及其相互之间的作用,并且还依赖于诸多参数,如纤维、树脂的性能、铺层顺序、固化过程、环境温度以及使用条件等。各种损伤都会或多或少地对复合材料面内的力学性能产生不同程度的影响,尤其对强度而言更为明显。 为了从理论上研究损伤对复合材料层合板面内力学性能的影响,Zhang建立了等效约束模型(Equivalent Constraint Model,ECM),它能够预测层合板中各个铺层在损伤状态下的应力-应变关系以及刚度与损伤关系。基于ECM模型,建立了复合材料对称层合板的强度分析模型:认为层合板中的主受力层才控制着层合板的最后断裂和寿命的终结,即如果层合板中主受力层的纤维被拉断,则层合板发生失效破坏,层合板将不再承受外加载荷,此时所对应的应力值就为层合板的强度。所以,问题的关键就是通过ECM模型和经典层合板理论得到主受力层的应力场分布。 采用这种强度预测模型,分析了不同的材料体系、铺层结构以及加载方式对复合材料对称层合板强度的影响,描绘了层合板在外加载荷条件下的应力-应变曲线和层合板的失效包络面以及不同层合板强度预测值同实验数据的比较。研究结果表明:在各种不同的材料体系、铺层结构和加载方式下,层合板的强度是迥然不同的。通过与实验数据的比较,认为基于ECM模型对包含有多层基体裂纹的复合材料层合板进行相关的强度预测是合理、可行并且有效的,它较好地模拟了铺层开裂和刚度退化的机理。同其它强度计算模型相比,文中所提出的计算复合材料对称层合板强度的方法简洁准确,物理概念清晰,大大简化了计算难度和运算过程。


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