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纖維復合材料的無紡布層間增韌分析

發布人:杜康集團 來源:杜康集團 www.225561.buzz更新日期: 2018-08-30 14:37:00

纖維復合材料的無紡布層間增韌分析

纖維復合材料的無紡布層間增韌分析

纖維復合材料的無紡布層間增韌分析


分層是復合材料層合板最危險的破壞形式,而分層主要發生在層合板界面層上,因此,選取合適的界面材料來抑制復合材料的分層損傷,提高其斷裂韌性成為復合材料設計與分析的熱點。實驗證明,尼龍無紡布增韌層能在保證良好工藝性能的前提下,顯著提高復合材料的斷裂韌性。目前,對于尼龍無紡布層間增韌機理方面的研究較少,因此,在國家973計劃項目的資助下建立無紡布層間增韌復合材料分層破壞的數值分析模型并研究層間增韌機理,具有重要的理論意義。通過研究不同材料及其參數對無紡布層間增韌復合材料斷裂韌性的影響規律,為生產實踐提供理論指導,具有重要的... 分層是復合材料層合板最危險的破壞形式,而分層主要發生在層合板界面層上,因此,選取合適的界面材料來抑制復合材料的分層損傷,提高其斷裂韌性成為復合材料設計與分析的熱點。實驗證明,尼龍無紡布增韌層能在保證良好工藝性能的前提下,顯著提高復合材料的斷裂韌性。目前,對于尼龍無紡布層間增韌機理方面的研究較少,因此,在國家973計劃項目的資助下建立無紡布層間增韌復合材料分層破壞的數值分析模型并研究層間增韌機理,具有重要的理論意義。通過研究不同材料及其參數對無紡布層間增韌復合材料斷裂韌性的影響規律,為生產實踐提供理論指導,具有重要的應用價值。
   本文應用有限元方法,引入一種反映無紡布增韌層力學特性的內聚力模型,建立了復合材料分層損傷產生與擴展的力學模型,重點研究了無紡布增韌層的性能參數以及層合板的幾何參數對復合材料力學性能的影響。
   在測試無紡布層間增韌復合材料Ⅰ型斷裂韌性(GIC)的雙懸臂梁彎曲實驗中得到的結論如下:(1)隨著增韌層拉伸強度的增加,復合材料Ⅰ型分層時的峰值載荷、擴展阻力以及GIC隨之增加。增韌層GIC<0.7N/mm時,增韌效果不明顯;增韌層GIC>0.7N/mm時,復合材料的GIC隨之得到明顯的改善;增韌層GIC>0.9N/mm時,增韌層GIC只能部分轉化為復合材料的GIC。(2)增韌層的模量和厚度對復合材料Ⅰ型分層的峰值載荷幾乎沒有影響,但是當E>2500MPa時,復合材料分層擴展阻力增加;增韌層厚度為20μm時,復合材料分層擴展阻力最大。(3)隨著層合板厚度的增加,復合材料Ⅰ型分層時的峰值載荷和擴展阻力隨之增加。層合板厚度為4mm時,通過DCB測試可以明顯地觀察到增韌層塑性變形和復合材料的分層破壞行為。(4)復合材料GIC隨著預設裂紋長度的增加而緩慢增加,但是預設裂紋長度大于45mm時,其趨于穩定。(5)對于特定鋪層的復合材料,一旦分層開始擴展,其前沿形貌保持一致,[012/012]單向復合材料分層前沿保持輕微的弧形,而[012/9012]正交復合材料分層前沿形狀接近直線,對于其它三個鋪層角,沿著試樣寬度方向具有不同的形貌;在本文的材料體系以及幾何尺寸下,鋪層角為[012/6012]復合材料沿著寬度方向分層擴展差異最大;此外,在相同的加載位移下,當鋪層角從[012/012]變化到[012/9012]時,復合材料Ⅰ型分層的峰值載荷和擴展距離不斷減小。
   在測試無紡布層間增韌復合材料Ⅱ型斷裂韌性(GⅡC)的端部切口實驗中得到的結論如下:(1)隨著增韌層剪切強度的增加,復合材料Ⅱ型分層時的峰值載荷和GⅡC也隨之增加,但是增加的幅度逐漸減小;在穩定的分層擴展階段,復合材料的力學響應主要受到增韌層GⅡC的控制;隨著增韌層GⅡC的增加,復合材料Ⅱ型分層時的峰值載荷和GⅡC隨之線性增加。(2)增韌層的模量和厚度對于復合材料Ⅱ型分層破壞幾乎沒有影響。(3)隨著層合板厚度的增加,復合材料發生Ⅱ型分層的峰值載荷、分層擴展阻力和GⅡC不斷增加。但是,厚度高于5mm時,復合材料GⅡC趨于一個穩定值。(4)隨著預設裂紋長度的增加,復合材料Ⅱ型分層時的峰值載荷不斷下降,GⅡC不斷增加,峰值載荷下降幅度和復合材料GⅡC增加幅度逐漸減小。以預設裂紋長度30mm為界,峰值載荷對應的加載撓度呈現先減小后增大的趨勢。(5)一旦裂紋開始擴展,沿著裂紋擴展方向,裂紋前緣的剪切應力分布曲線一致,而且擴展速度不斷減小。[012/012]單向復合材料的界面前沿形貌并不是直線;[3012/012],[4512/012]和[6012/012]鋪層角復合材料的裂紋前緣形貌和鋪層角度基本呈現正相關;而[9012/012]正交復合材料未發生分層擴展行為。此外,從[012/012]單向鋪層變化到[6012/012]斜交鋪層,在相同的外力載荷下裂紋擴展距離不斷減小,但是復合材料GⅡC不斷增加。

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