纖維復(fù)合材料的無紡布層間增韌分析.pdf

1、分層是復(fù)合材料層合板最危險(xiǎn)的破壞形式，而分層主要發(fā)生在層合板界面層上，因此，選取合適的界面材料來抑制復(fù)合材料的分層損傷，提高其斷裂韌性成為復(fù)合材料設(shè)計(jì)與分析的熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(fù)合材料的斷裂韌性。目前，對(duì)于尼龍無紡布層間增韌機(jī)理方面的研究較少，因此，在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目的資助下建立無紡布層間增韌復(fù)合材料分層破壞的數(shù)值分析模型并研究層間增韌機(jī)理，具有重要的理論意義。通過研究不同材料及其參

2、數(shù)對(duì)無紡布層間增韌復(fù)合材料斷裂韌性的影響規(guī)律，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文應(yīng)用有限元方法，引入一種反映無紡布增韌層力學(xué)特性的內(nèi)聚力模型，建立了復(fù)合材料分層損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的力學(xué)模型，重點(diǎn)研究了無紡布增韌層的性能參數(shù)以及層合板的幾何參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。
　　 在測(cè)試無紡布層間增韌復(fù)合材料Ⅰ型斷裂韌性(GIC)的雙懸臂梁彎曲實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論如下:(1)隨著增韌層拉伸強(qiáng)度的增加，復(fù)合材料Ⅰ型

3、分層時(shí)的峰值載荷、擴(kuò)展阻力以及GIC隨之增加。增韌層GIC＜0.7N/mm時(shí)，增韌效果不明顯;增韌層GIC＞0.7N/mm時(shí)，復(fù)合材料的GIC隨之得到明顯的改善;增韌層GIC＞0.9N/mm時(shí)，增韌層GIC只能部分轉(zhuǎn)化為復(fù)合材料的GIC。(2)增韌層的模量和厚度對(duì)復(fù)合材料Ⅰ型分層的峰值載荷幾乎沒有影響，但是當(dāng)E＞2500MPa時(shí)，復(fù)合材料分層擴(kuò)展阻力增加;增韌層厚度為20μm時(shí)，復(fù)合材料分層擴(kuò)展阻力最大。(3)隨著層合板厚度的增加，復(fù)合

4、材料Ⅰ型分層時(shí)的峰值載荷和擴(kuò)展阻力隨之增加。層合板厚度為4mm時(shí)，通過DCB測(cè)試可以明顯地觀察到增韌層塑性變形和復(fù)合材料的分層破壞行為。(4)復(fù)合材料GIC隨著預(yù)設(shè)裂紋長(zhǎng)度的增加而緩慢增加，但是預(yù)設(shè)裂紋長(zhǎng)度大于45mm時(shí)，其趨于穩(wěn)定。(5)對(duì)于特定鋪層的復(fù)合材料，一旦分層開始擴(kuò)展，其前沿形貌保持一致，[012/012]單向復(fù)合材料分層前沿保持輕微的弧形，而[012/9012]正交復(fù)合材料分層前沿形狀接近直線，對(duì)于其它三個(gè)鋪層角，沿著試樣

5、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(fù)合材料沿著寬度方向分層擴(kuò)展差異最大;此外，在相同的加載位移下，當(dāng)鋪層角從[012/012]變化到[012/9012]時(shí)，復(fù)合材料Ⅰ型分層的峰值載荷和擴(kuò)展距離不斷減小。
　　 在測(cè)試無紡布層間增韌復(fù)合材料Ⅱ型斷裂韌性(GⅡC)的端部切口實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論如下:(1)隨著增韌層剪切強(qiáng)度的增加，復(fù)合材料Ⅱ型分層時(shí)的峰值載荷和GⅡC也隨之增加，但是增加的

6、幅度逐漸減小;在穩(wěn)定的分層擴(kuò)展階段，復(fù)合材料的力學(xué)響應(yīng)主要受到增韌層GⅡC的控制;隨著增韌層GⅡC的增加，復(fù)合材料Ⅱ型分層時(shí)的峰值載荷和GⅡC隨之線性增加。(2)增韌層的模量和厚度對(duì)于復(fù)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(fù)合材料發(fā)生Ⅱ型分層的峰值載荷、分層擴(kuò)展阻力和GⅡC不斷增加。但是，厚度高于5mm時(shí)，復(fù)合材料GⅡC趨于一個(gè)穩(wěn)定值。(4)隨著預(yù)設(shè)裂紋長(zhǎng)度的增加，復(fù)合材料Ⅱ型分層時(shí)的峰值載荷不斷下降，GⅡC不斷

7、增加，峰值載荷下降幅度和復(fù)合材料GⅡC增加幅度逐漸減小。以預(yù)設(shè)裂紋長(zhǎng)度30mm為界，峰值載荷對(duì)應(yīng)的加載撓度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。(5)一旦裂紋開始擴(kuò)展，沿著裂紋擴(kuò)展方向，裂紋前緣的剪切應(yīng)力分布曲線一致，而且擴(kuò)展速度不斷減小。[012/012]單向復(fù)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(fù)合材料的裂紋前緣形貌和鋪層角度基本呈現(xiàn)正相關(guān);而[9012/012]正交復(fù)合材料未發(fā)生