濕熱處理后含孔隙CFRP層合板力學損傷行為與強度預測.pdf

1、與航空航天領域內傳統(tǒng)的主要材料鋁合金、鈦合金相比,碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料具有非常優(yōu)異的比強度、比模量等綜合指標,廣泛地應用于航天、航空、國防等高技術領域。由于碳纖維復合材料結構制備工藝的特殊性,孔隙成為復合材料結構中最為常見的缺陷之一?？紫犊蓪е聫秃喜牧系撵o態(tài)力學性能及疲勞強度下降。此外,復合材料層合板對低速沖擊尤其敏感,即使很小的損傷也會導致結構整體性發(fā)生破壞。并且復合材料中孔隙對水的滲透和環(huán)境因素極為敏感,孔隙加速了復合材料吸濕

2、,吸濕又可導致材料強度發(fā)生退化。然而,目前針對孔隙對濕熱老化及烘干脫濕后復合材料層合板力學性能影響的研究較為少見。在此研究背景下,本文研究了孔隙對CFRP層合板未老化試樣、濕熱老化試樣及脫濕試樣力學性能的影響規(guī)律,并建立有限元模型對不同孔隙率CFRP層合板未老化試樣的靜態(tài)力學強度及沖擊損傷面積進行了模擬。
　　研究了孔隙率及濕熱環(huán)境對CFRP層合板的孔隙形貌、固化度、巴氏硬度及靜態(tài)力學性能的影響規(guī)律。試驗結果表明,孔隙率對CFRP

3、層合板試樣的靜態(tài)力學強度均存在不利影響,隨著孔隙率增長,層間剪切強度及壓縮強度的下降值較大,拉伸強度下降值較小。本文研究了濕熱環(huán)境對CFRP層合板試樣的靜態(tài)力學性能的影響,和未老化試樣相比,相同孔隙率的濕熱老化試樣的層間剪切強度及壓縮強度下降值較大。相同孔隙率的脫濕試樣的拉伸強度、壓縮強度及層間剪切強度均低于未老化試樣,而高于濕熱老化試樣。相同孔隙率的濕熱老化試樣及脫濕試樣的彎曲強度高于未老化試樣的彎曲強度。采用金相顯微鏡及掃描電子顯微

4、鏡觀測破壞后試樣發(fā)現(xiàn),由于應力集中作用,裂紋由孔隙處產生,并且孔隙之間的基體裂紋發(fā)生相互貫通。
　　本論文還針對孔隙率對濕熱處理后 CFRP層合板試樣的彎曲疲勞性能及疲勞后剩余彎曲強度的影響規(guī)律進行了分析和研究。試驗結果表明,孔隙率對彎曲疲勞性能的影響比對靜態(tài)彎曲強度的影響程度更加顯著。采用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀測疲勞后試樣,發(fā)現(xiàn) CFRP層合板在循環(huán)荷載作用下產生不可逆的結構性損傷,進而對CFRP層合板試樣的剩余彎曲強度進

5、行測試,研究累積損傷對復合材料宏觀力學性能的改變規(guī)律,試驗結果表明 CFRP層合板試樣的剩余彎曲強度保持率隨著孔隙率的增加呈下降趨勢。
　　分析了孔隙率、環(huán)境因素及沖擊能量對CFRP層合板試樣的沖擊阻抗性能及損傷容限性能的影響規(guī)律。相同沖擊能量作用下,孔隙率對凹坑深度及沖擊損傷投影面積均存在不利影響。CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度隨著沖擊能量的提高顯著下降,然而孔隙率對CFRP層合板沖擊后剩余拉伸強度的影響并不明顯。試驗結果表明

6、,CFRP層合板試樣的沖擊阻抗性能及損傷容限性能均在沖擊能量為9J處發(fā)生突變。采用熱揭層方法觀測發(fā)現(xiàn)當沖擊能量超過9J后,除基體裂紋和分層兩種沖擊損傷形式外,試樣表面開始出現(xiàn)纖維折斷現(xiàn)象,揭示了當沖擊能量超過閾值9J后層合板沖擊損傷發(fā)生突變的破壞機理。
　　本論文在適用于復合材料單向板改進的Hashin失效準則基礎上，建立了針對本文采用的纖維織物增強復合材料的靜態(tài)力學強度失效準則。在Hou等人提出的適用于復合材料單向板低速沖擊失效