發(fā)布時間：2017-07-29 11:18

  本文關(guān)鍵詞：竹原纖維增強復(fù)合材料拉伸破壞行為的表征和模擬

  更多相關(guān)文章： 天然纖維 復(fù)合材料 破壞機制 力學(xué)行為 數(shù)值模擬

【摘要】：玻璃纖維、碳纖維等纖維復(fù)合材料的開發(fā)和利用推動了人類社會的發(fā)展,但隨之而來的環(huán)境污染問題已經(jīng)引起了社會的高度關(guān)注。天然植物纖維作為一種新型纖維增強材料,其具有資源豐富、生產(chǎn)成本低廉、可生態(tài)降解、比強度高等優(yōu)點,兼?zhèn)洵h(huán)境友好和生態(tài)優(yōu)勢,成為取代傳統(tǒng)合成纖維的新型材料產(chǎn)業(yè),其復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用降低了塑料工業(yè)對經(jīng)濟和環(huán)境的壓力。本文首先對單向竹原纖維增強復(fù)合材料進行拉伸破壞實驗,利用掃描電子顯微鏡測試方法(Scanning Electron Microscope,SEM)技術(shù)對復(fù)合材料拉伸斷裂橫、縱截面的微觀結(jié)構(gòu)形貌進行觀察,建立這類復(fù)合材料的多重?fù)p傷細(xì)觀破壞力學(xué)模型,即纖維斷裂同時伴隨局部基體的拉伸破壞和纖維/基體界面劈裂。將每一根纖維斷裂及其伴隨的基體開裂和界面劈裂定義為一個損傷實體,建立的多重?fù)p傷模型反映了損傷模式間的相互耦合和競爭。基于剪切滯后模型和影響函數(shù)疊加的方法,發(fā)展了一套包括纖維和基體拉伸特性、界面剪切劈裂的多纖維斷裂誘導(dǎo)應(yīng)力與變形重分配的近似應(yīng)力分析方法,為預(yù)測復(fù)合材料的漸進破壞行為奠定了理論基礎(chǔ)。其次,考慮到天然植物纖維長度以及纖維與纖維之間直徑的不同對其內(nèi)部缺陷分布乃至纖維強度的影響,對竹原纖維強度的分散性進行了研究,即分別采用Weibull線性模型和指數(shù)模型探討了竹原纖維強度的分布特征。采用最大似然估計方法(Maximum Likelihood Estimation,MLE)和多數(shù)組集合方法(Multiple Data Set,MDS)對獲取的多組尺寸下的纖維強度進行擬合,得到所需的Weibull參數(shù)。將兩種模型下的強度預(yù)測值與實驗值進行了比較,發(fā)現(xiàn):由于直徑的不均勻性使得纖維強度呈現(xiàn)出較大的分散性;同線性模型相比,指數(shù)模型更適合于描述天然纖維的強度分布。最后,將纖維拉伸強度看作一個隨機變量,通過采用Monte-Carlo方法模擬復(fù)合材料的拉伸破壞行為,包括:(1)獲取了纖維、基體等組分材料的損傷累積效應(yīng),發(fā)現(xiàn)纖維斷裂是此類復(fù)合材料的主要破壞方式;(2)除了纖維斷裂外,界面和基體的損傷使得材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性關(guān)系;(3)得到了復(fù)合材料拉伸強度的尺寸效應(yīng),表明強度對復(fù)合材料尺寸具有敏感性;(4)隨著纖維體積百分含量的增加,纖維斷裂引起的局部應(yīng)力集中將會有效地傳遞給相鄰纖維,使得纖維承擔(dān)外載的能力增強,從而提高了復(fù)合材料的強度;(5)隨著纖維強度分散性的增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能將降低。通過以上實驗結(jié)果和數(shù)值模擬的對比,驗證了這種多尺度方法對于表征和模擬天然纖維增強復(fù)合材料拉伸破壞行為的有效性。本文旨在考慮組分材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征,從材料微觀損傷機理的基礎(chǔ)上建立描述植物纖維復(fù)合材料破壞行為的力學(xué)模型,發(fā)展一種反映其漸進損傷行為的強度預(yù)測模型,揭示細(xì)觀破壞機制與宏觀力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,推動天然纖維復(fù)合材料的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：天然纖維 復(fù)合材料 破壞機制 力學(xué)行為 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB332
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-16
• 1.1.1 纖維增強復(fù)合材料及其應(yīng)用9-10
• 1.1.2 天然纖維增強復(fù)合材料及其特點10-12
• 1.1.3 天然纖維復(fù)合材料的應(yīng)用前景12-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 本文的研究意義及研究內(nèi)容18-21
• 1.3.1 研究意義18-19
• 1.3.2 研究內(nèi)容19-20
• 1.3.3 研究特色和創(chuàng)新性20-21
• 第二章 復(fù)合材料的制備及力學(xué)試驗21-30
• 2.1 復(fù)合材料的制備21-24
• 2.1.1 材料準(zhǔn)備21
• 2.1.2 實驗儀器及試劑21-22
• 2.1.3 制備工藝22-23
• 2.1.4 實驗結(jié)果與討論23-24
• 2.2 復(fù)合材料的拉伸測試24-25
• 2.2.1 實驗儀器及相關(guān)參數(shù)24
• 2.2.2 實驗內(nèi)容24
• 2.2.3 實驗結(jié)果與討論24-25
• 2.3 復(fù)合材料的損傷行為表征25-28
• 2.3.1 實驗儀器25-26
• 2.3.2 損傷模式26-27
• 2.3.3 損傷機理分析27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-30
• 第三章 復(fù)合材料拉伸斷裂行為的數(shù)值模擬30-48
• 3.1 多重?fù)p傷模型30-31
• 3.2 復(fù)合材料應(yīng)力場的求解31-40
• 3.2.1 剪切滯后模型32-34
• 3.2.2 控制方程34-39
• 3.2.3 影響函數(shù)疊加方法39-40
• 3.3 MONTE-CARLO方法40-46
• 3.3.1 纖維的統(tǒng)計強度40-45
• 3.3.2 模擬流程45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第四章 算例及討論48-56
• 4.1 復(fù)合材料的拉伸漸進破壞過程48-50
• 4.2 復(fù)合材料拉伸強度的預(yù)測50-55
• 4.2.1 離散單元尺寸的影響50-51
• 4.2.2 試件尺寸的影響51
• 4.2.3 纖維體積百分含量的影響51-52
• 4.2.4 纖維強度分布的影響52-55
• 4.3 本章小結(jié)55-56
• 第五章 結(jié)論與展望56-58
• 5.1 結(jié)論56-57
• 5.2 展望57-58
• 參考文獻58-70
• 致謝70-71
• 攻讀碩士期間學(xué)術(shù)成果71

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