碳纖維-樹脂單絲復(fù)合體系界面力學(xué)行為的研究.pdf

1、纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有比強度、比剛度高、可設(shè)計性等優(yōu)點，故其在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。界面相是復(fù)合材料的重要組成部分，是影響復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能和使用可靠性的關(guān)鍵因素之一。因此，有必要建立界面與復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性分析。然而，這是一個從細(xì)觀到宏觀的復(fù)雜過程，屬于跨尺度領(lǐng)域的研究范圍。而纖維單絲、界面相以及樹脂基體組成的單絲復(fù)合體系是這一過程得以實現(xiàn)的必經(jīng)階段。因此，進行單絲復(fù)合體系界面力學(xué)行為的研究，建立單絲復(fù)合體

2、系應(yīng)力傳遞及失效破壞過程的分析方法，對實現(xiàn)上述的跨尺度分析過程具有重要的意義和一定的必要性。
　　本文以纖維單絲、界面相以及樹脂基體組成的單絲復(fù)合體系為研究對象，綜合利用單絲復(fù)合體系界面力學(xué)性能表征的細(xì)觀力學(xué)實驗（單絲復(fù)合體系段裂實驗和微滴脫粘實驗）、細(xì)觀力學(xué)理論（剪滯理論）以及數(shù)值分析的方法，對單絲復(fù)合體系，在受載狀態(tài)下的應(yīng)力傳遞過程和損傷破壞過程，進行理論分析和數(shù)值模擬研究。為解決從界面到復(fù)合材料宏觀性能預(yù)報的跨尺度研究奠定基

3、礎(chǔ)。本文開展了如下的研究工作：
　　首先，基于剪滯理論，建立單絲復(fù)合體系應(yīng)力傳遞過程的理論分析方法。分析中充分考慮了體系在外載荷作用下可能出現(xiàn)的兩種損傷模式，即界面相脫粘和基體損傷破壞。詳細(xì)分析不同損傷模式下，體系內(nèi)纖維軸向應(yīng)力以及界面剪應(yīng)力的分布。在此基礎(chǔ)上，對單絲復(fù)合體系段裂實驗“飽和狀態(tài)”下的實驗數(shù)據(jù)進行分析，針對現(xiàn)有的單絲段裂實驗界面剪切強度的計算公式，提出新的臨界長度的確定方法，以獲得更加真實的界面性能表征參數(shù)。此外，考

4、慮纖維強度分布的離散性特征，建立單絲復(fù)合體系段裂破壞過程的蒙特卡洛模擬方法，并利用實驗驗證該方法的正確性，在此基礎(chǔ)上評價纖維強度分布的統(tǒng)計參數(shù)以及損傷模式對單絲復(fù)合體系段裂破壞過程的影響。
　　上述的理論分析方法很好地描述了單絲復(fù)合體系段裂破壞過程的“宏觀”實驗現(xiàn)象，即隨外載荷的增加體系內(nèi)纖維逐漸脆段的過程。但是，該方法無法表征體系內(nèi)纖維斷口處的細(xì)觀損傷模式。因此，需要采用數(shù)值分析的方法。隨著數(shù)值分析方法在復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能分析

5、中的廣泛應(yīng)用，基于內(nèi)聚力理論、用于描述復(fù)合材料界面力學(xué)性能的界面相單元也隨之產(chǎn)生。但是，由于界面相的幾何尺寸以及界面相形成的特點，該單元的相關(guān)性能參數(shù)難于確定。因此，本文發(fā)展了實驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，分析確定界面相單元的性能參數(shù)（該參數(shù)的確定為復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能數(shù)值分析方法的建立提供必要的參數(shù)）。在此基礎(chǔ)上，建立基于界面相內(nèi)聚力單元的單絲復(fù)合體系應(yīng)力傳遞以及損傷破壞過程的數(shù)值分析方法。
　　將碳纖維單絲電阻與應(yīng)變的線性關(guān)系應(yīng)

6、用于單絲復(fù)合體系應(yīng)力傳遞過程的實驗研究，表征體系內(nèi)界面相的傳載能力。同時，建立基于內(nèi)聚力單元的單絲復(fù)合體系應(yīng)力傳遞過程的數(shù)值分析方法，并研究數(shù)值模型的幾何尺寸以及網(wǎng)格劃分方式對數(shù)值計算結(jié)果的影響，以確定適合的數(shù)值計算模型。在此基礎(chǔ)上，將實驗與數(shù)值分析方法有效結(jié)合，分析確定單絲復(fù)合體系內(nèi)界面相內(nèi)聚力單元的彈性性能參數(shù)。
　　利用微滴脫粘實驗表征單絲復(fù)合體系界面相的粘接強度，同時，建立針對該實驗的數(shù)值模型（數(shù)值模型中纖維與樹脂基體之間

7、的界面相采用了內(nèi)聚力單元）。通過數(shù)值的方法分析實驗結(jié)果離散性的主要原因。在此基礎(chǔ)上，提取有效的實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合基于內(nèi)聚力單元損傷模型的數(shù)值分析方法，分析確定單絲復(fù)合體系內(nèi)界面相內(nèi)聚力單元的強度參數(shù)。
　　在確定了內(nèi)聚力單元參數(shù)的基礎(chǔ)上，以通用有限元軟件 ABAQUS為計算平臺，進行二次開發(fā)，建立基于用戶自定義子程序的單絲復(fù)合體系段裂破壞過程的數(shù)值分析方法。通過與實驗表征結(jié)果的對比，驗證了該模擬方法的正確性，為實現(xiàn)復(fù)合材料單向板的漸進