在熱-機械載荷作用下金屬基復合材料纖維斷裂分析.pdf

1、本文分析研究了含斷裂纖維的金屬基復合材料中斷裂纖維對復合材料應力場的影響。作為研究金屬基復合材料在熱/機械載荷循環(huán)作用下的疲勞特性的前期工作，文中分析了在熱/機械載荷循環(huán)作用下復合材料的應力場。文中分別討論了復合材料的基體不承受拉應力與承受拉應力兩種情況，通過理論分析的方法主要研究了兩種情況：在熱/機械載荷循環(huán)作用下，三維單層復合材料含有單根斷裂纖維的應力場的分析；二維單層復合材料板含有多根斷裂纖維的應力場的分析。通過剪切滯后模型建立了

2、復合材料應力場的控制微分方程。 在三維復合材料模型中，取復合材料的微結構體單元為正六棱柱體單元，由于正六棱柱體的對稱性并且忽略了斷裂纖維對周圍纖維的影響，使得三維復合材料的問題可簡化為一維控制微分方程來求解。假設斷裂纖維附近的基體剪切屈服，基體的本構關系為理想彈塑性。通過以上假設消除了斷裂纖維附近基體的正應力與剪應力的耦合，這樣模型的求解就變?yōu)榭尚械摹Ｓ捎诩僭O纖維的斷裂僅對緊鄰的基體層有影響而對其余的纖維與基體都無影響，因而在三

3、維模型中著重分析了在熱/機械載荷循環(huán)作用下斷裂纖維以及其緊鄰的基體層的應力分布。溫度與機械載荷同相或反相的變化方式對基體的應力以及殘余應力的影響都很大，這主要是因為金屬基體的屈服應力隨溫度的升高快速降低。當機械載荷與溫度等幅度變化時，斷裂纖維附近的基體層在初始時存在一個穩(wěn)定的塑性循環(huán)區(qū)，在每一循環(huán)周期中基體的塑性剪應變變化幅值為常數(shù)。塑性剪應變變化幅值對于研究金屬基復合材料的疲勞失效是重要的參數(shù)。對應不同的塑性剪應變變化幅值，當熱/機械

4、載荷達到相應次數(shù)時，屈服段基體將與纖維脫落，進而產(chǎn)生新的屈服段，如此推導下去斷裂纖維將逐漸與基體層脫落最終將會從復合材料中拔除。 在研究多纖維斷裂的復合材料板的應力場問題時，考慮了基體承受拉應力以及纖維斷裂對整個復合材料板的應力場的影響，在纖維與基體之間存在剪切層。通過纖維斷裂的影響函數(shù)引入纖維斷裂對復合材料板的應力場影響。文中討論了纖維斷裂后可能產(chǎn)生的三種情況：基體屈服、剪切層屈服以及基體與剪切層同時屈服。文中通過影響函數(shù)加權