【摘要】：先進碳纖維復合材料由于較高的比強度、比剛度和剛度可設計等優(yōu)點,在航空航天等領域中得到廣泛應用。層合板是最為常用的復合材料構(gòu)型之一,但是由于較弱的層間性能,分層成為其主要的失效形式。數(shù)值模擬作為研究分層的一種重要手段,提高其客觀性和易用性一直是學者們關注的熱點。目前的分層數(shù)值模擬多集中于單向?qū)雍习?而工程中常用的是多向?qū)雍习?準確模擬多向?qū)雍习宸謱訑U展行為更具有實際應用價值。不同于單向?qū)雍习?多向?qū)雍习宸謱訑U展的過程中常常伴隨著大量的纖維橋接,導致分層擴展阻力顯著增加,表現(xiàn)為典型的R曲線特征。在考慮纖維橋接的增韌機理對多向?qū)雍习宸謱訑U展行為影響的基礎上,本文開展了T700/QY9511材料體系多向?qū)雍习宸謱訑U展的數(shù)值模擬研究,并取得了以下創(chuàng)新性研究成果:(1)從分層失效的微觀機理出發(fā),原創(chuàng)性地提出了一種物理意義明確、參數(shù)體系簡單的新型三線性內(nèi)聚力模型。模型不依賴于分層擴展過程,將纖維橋接的增韌機理從本構(gòu)關系中引入,能夠準確反映層間纖維橋接區(qū)域的應力分布,進而揭示分層擴展阻力的形成機制。(2)開發(fā)了三線性本構(gòu)關系的數(shù)值程序,并對應用新型內(nèi)聚力模型研究分層問題的參數(shù)進行了系統(tǒng)研究。分別基于二維和三維模型討論了通用建模參數(shù)和本構(gòu)關系參數(shù),提出了合理的參數(shù)研究流程,確定了以強度為核心的參數(shù)體系。對T700/QY9511材料多向?qū)雍习宸謱訑?shù)值模擬的結(jié)果與試驗吻合度極高,論證了模型參數(shù)研究方案的正確性。綜上所述,本文基于內(nèi)聚力模型方法,提出了一種新的三線性本構(gòu)模型,給出了合理的參數(shù)研究方案,并結(jié)合二次開發(fā)實現(xiàn)了對模型的驗證和參數(shù)的討論。模型具有明確的物理意義和簡單的參數(shù)體系,能夠?qū)Χ嘞驅(qū)雍习宸謱訑U展行為進行準確模擬。本文的工作為復合材料多向?qū)雍习宓姆謱訑?shù)值模擬提供了有效的支持。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 復合材料層合板分層試驗研究現(xiàn)狀復合材料層合板的分層屬于兩種各向異性材料界面的裂紋，裂紋的擴展導層破壞[5]。根據(jù)復合材料結(jié)構(gòu)的受力不同和樹脂基體的韌性差異，從微觀尺度合板的分層擴展可分為三種基本模式：I 型（拉伸型），II 型（剪切型）和（撕開型），如圖 1.1 所示。工程實際中，分層擴展主要以 I 型、II 型和 I/I型存在，III 型存在的比例相對較小。Bradley 等人[6]認為，在以脆性樹脂為基復合材料體系中，I 型分層前緣中微裂紋會隨著分層的擴展而生長合并，進而纖維和基體的脫粘，脫粘過程通常會誘發(fā)纖維的橋接和斷裂。II 型和 III 型剪式下的分層在前緣處的微裂紋發(fā)生合并后，將沿著與鋪層角度呈 45°的方向。微裂紋的合并在樹脂基體處呈現(xiàn)鋸齒狀。而在韌性樹脂基體體系中，分層的驅(qū)動力主要來自于分層前緣的塑性變形，擴展過程伴隨著層間脫層和韌性現(xiàn)象。

率 C作為斷裂韌度，若滿足 ≥ C，則新的裂紋面形成，裂紋前緣向前移動。應力集中因子和應變能釋放率在本質(zhì)上是等效的，Chyanbin[8]用兩種概念分析了復合材料層合板的分層擴展，指出由于分層前緣的數(shù)值震蕩嚴重，原始的應力集中因子概念需要修正，并建立了改良后應力集中因子與應變能釋放率之間的轉(zhuǎn)換關系。在對層合板不同模式斷裂韌度的測量方法研究中，產(chǎn)生了一系列試驗標準。對于 I 型斷裂韌度主要采用 DCB（Double Cantilever Beam）試驗方法獲取，該方法已被納入到 ASTM D5528-13 標準[9]。和 ISO 15024 標準[10]。II 型斷裂韌度主要采用 ENF（End Notched Flexture）和 4ENF（Four-point ENF）試驗方法獲取，其中 ENF 方法已被納入到 ASTM D7905/D7905M-14 標準[11]、中國航空工業(yè)標準HB7403-96[12]和日本 JSA K7086 標準[13]。由于 II 型裂紋擴展的穩(wěn)定區(qū)域較小，因此試驗一般在不穩(wěn)定區(qū)域進行，能夠測得的僅為斷裂韌度的起始值。對于 I/II 混合型分層擴展，MMB（Mixed Mode Bending）試驗方法方便調(diào)節(jié)不同模式混合比，所以被廣泛采用，該方法已被納入到 ASTM D6671/D6671M-13e1 標準[14]。相關試驗的示意圖如圖 1.2 所示：

纖維橋接是指在分層擴展過程中，分層前緣在復雜應力場下發(fā)生“跳躍”，造成的部分纖維拔出。拔出的纖維會降低分層前緣處的應力集中并增加分層擴展的阻力，導致斷裂韌度隨分層擴展長度的增加而變大——即R曲線，如圖1.3所示。De Moura 等人[24]通過刀片切割橋接纖維后，發(fā)現(xiàn)分層擴展過程中斷裂韌度保持為常值，由此論證了纖維橋接是造成 R 曲線特征的主要原因。已有文獻[25]指出，當橋接區(qū)域的尺寸遠小于試件最小尺寸時，R 曲線可視為材料固有屬性，而當存在大面積纖維橋接時，R 曲線的形狀明顯依賴于試件尺寸。S rensen 等人[26]開展了不同尺寸試件的 DCB 試驗，提出了用不依賴于試件尺寸的纖維橋接律來描述大量纖維橋接對斷裂韌度的影響

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 吳義韜;姚衛(wèi)星;沈浩杰;;層合板混合模式分層擴展能量準則評估[J];南京航空航天大學學報;2014年03期

2 曹春曉;;一代材料技術(shù),一代大型飛機[J];航空學報;2008年03期

本文編號：2779351