復(fù)合材料拉伸-沖擊失效相關(guān)問(wèn)題的細(xì)觀力學(xué)分析.pdf

1、在過(guò)去的數(shù)十年，復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，如汽車、航空航天等等。在載荷作用下，復(fù)合材料的失效通常會(huì)受到多種損傷機(jī)制的共同影響，各種損傷機(jī)制主要依賴于復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其屬性。復(fù)合材料損傷機(jī)理的研究，對(duì)于改善其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體性能起到了關(guān)鍵作用。因此，建立復(fù)合材料失效問(wèn)題的分析和預(yù)測(cè)模型具有非常重要的意義。本文針對(duì)拉伸及沖擊載荷作用下復(fù)合材料的多種失效問(wèn)題，提出了相應(yīng)的理論模型，并通過(guò)數(shù)值方法研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2、　　論文首先介紹了課題的研究背景及意義，回顧了復(fù)合材料拉伸及沖擊失效相關(guān)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，并給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　基于單纖維拔出模型，給出了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料界面脫粘長(zhǎng)度和纖維拔出長(zhǎng)度的理論預(yù)測(cè)，并研究了不同材料參數(shù)的影響。通過(guò)雙相區(qū)域模型，得到了纖維和基體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，并推導(dǎo)出纖維拔出長(zhǎng)度和界面脫粘長(zhǎng)度的關(guān)系?？紤]界面脫粘過(guò)程，給出了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面脫粘準(zhǔn)則，并得到了界面脫粘長(zhǎng)度與所施加載荷之間的關(guān)系。

3、r>　　在單纖維拔出模型的基礎(chǔ)上，建立了混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剪滯模型。基于雙相區(qū)域模型，給出了纖維和基體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)?；诮缑婷撜尺^(guò)程中能量釋放率的關(guān)系，得到了混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面脫粘準(zhǔn)則，并給出了纖維拔出長(zhǎng)度與界面脫粘長(zhǎng)度的關(guān)系。通過(guò)多個(gè)參數(shù)研究分析了纖維混合效應(yīng)對(duì)于混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的影響。
　　采用有限單元方法分析了玻璃/碳纖維混合復(fù)合材料的高速?zèng)_擊損傷行為，并研究了纖維混合對(duì)復(fù)合材料沖擊損傷行為的影響。采

4、用Hashin損傷模型模擬復(fù)合材料層合板的損傷起始，層合板的損傷演化通過(guò)基于有效位移的雙線性損傷演化法則來(lái)描述。隨著玻璃織物鋪層厚度的增加，沖擊球的殘余速度近似地呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)?；旌蠌?fù)合材料層合板的抗沖擊性能隨著玻璃纖維織物鋪層比例的增加而增加。
　　基于復(fù)合材料層合板的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和多種失效模式，提出了一種細(xì)觀力學(xué)模型對(duì)復(fù)合材料層合板的沖擊損傷行為進(jìn)行了研究。采用所提出的細(xì)觀力學(xué)模型，分析了復(fù)合材料層合板的沖擊損傷機(jī)理，并研究了

5、沖擊能量和層合形式對(duì)層合板沖擊損傷行為的影響。在沖擊損傷過(guò)程中，沖擊球的動(dòng)能呈現(xiàn)非線性的下降趨勢(shì)。在沖擊加載的早期，沖擊球的動(dòng)能呈現(xiàn)更為快速的下降趨勢(shì)，同時(shí)隨著沖擊點(diǎn)附近抵抗沖擊載荷的層合板厚度逐漸下降，動(dòng)能的下降趨勢(shì)逐漸減小。由于纖維變形引起的沖擊點(diǎn)附近基體的損傷，使得層合板表面的損傷面積要遠(yuǎn)大于沖擊球的面積。損傷區(qū)域的形狀為橢圓形或矩形，橢圓的主軸方向或矩形的長(zhǎng)軸方向平行于層合板表面層的纖維方向。
　　采用內(nèi)聚力區(qū)域模型，建立

6、了周期性體心立方體顆粒分布的細(xì)觀力學(xué)模型，研究了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的界面失效性能。通過(guò)所建立的模型，預(yù)測(cè)了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面強(qiáng)度和界面失效機(jī)理。當(dāng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料受到拉伸載荷作用時(shí)，由于材料性能的差異，顆粒與基體將產(chǎn)生不同的變形，在兩者之間界面上也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中的程度達(dá)到界面極限強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)發(fā)生界面脫粘。隨著拉伸變形的增加，顆粒兩側(cè)形成的空洞尺寸也會(huì)逐漸增大。界面強(qiáng)度和斷裂能在決定顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料界面脫粘性能方面起到