濕熱處理后含孔隙CFRP層合板力學(xué)損傷行為與強(qiáng)度預(yù)測.pdf

1、與航空航天領(lǐng)域內(nèi)傳統(tǒng)的主要材料鋁合金、鈦合金相比,碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo),廣泛地應(yīng)用于航天、航空、國防等高技術(shù)領(lǐng)域。由于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制備工藝的特殊性,孔隙成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中最為常見的缺陷之一?？紫犊蓪?dǎo)致復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能及疲勞強(qiáng)度下降。此外,復(fù)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性發(fā)生破壞。并且復(fù)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(fù)合材料吸濕

2、,吸濕又可導(dǎo)致材料強(qiáng)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(fù)合材料層合板力學(xué)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(xué)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(xué)強(qiáng)度及沖擊損傷面積進(jìn)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(xué)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明,孔隙率對CFRP

3、層合板試樣的靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度均存在不利影響,隨著孔隙率增長,層間剪切強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度的下降值較大,拉伸強(qiáng)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(xué)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(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度下降值較大。相同孔隙率的脫濕試樣的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及層間剪切強(qiáng)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(qiáng)度高于未老化試樣的彎曲強(qiáng)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(yīng)力集中作用,裂紋由孔隙處產(chǎn)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(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行了分析和研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,孔隙率對彎曲疲勞性能的影響比對靜態(tài)彎曲強(qiáng)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(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)性損傷,進(jìn)而對CFRP層合板試樣的剩余彎曲強(qiáng)度進(jìn)

5、行測試,研究累積損傷對復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的改變規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明 CFRP層合板試樣的剩余彎曲強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響并不明顯。試驗(yàn)結(jié)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(dāng)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(dāng)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(jī)理。
　　本論文在適用于復(fù)合材料單向板改進(jìn)的Hashin失效準(zhǔn)則基礎(chǔ)上，建立了針對本文采用的纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度失效準(zhǔn)則。在Hou等人提出的適用于復(fù)合材料單向板低速沖擊失效