在熱-機(jī)械載荷作用下金屬基復(fù)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(fù)合材料中斷裂纖維對復(fù)合材料應(yīng)力場的影響。作為研究金屬基復(fù)合材料在熱/機(jī)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(jī)械載荷循環(huán)作用下復(fù)合材料的應(yīng)力場。文中分別討論了復(fù)合材料的基體不承受拉應(yīng)力與承受拉應(yīng)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(jī)械載荷循環(huán)作用下，三維單層復(fù)合材料含有單根斷裂纖維的應(yīng)力場的分析；二維單層復(fù)合材料板含有多根斷裂纖維的應(yīng)力場的分析。通過剪切滯后模型建立了

2、復(fù)合材料應(yīng)力場的控制微分方程。 在三維復(fù)合材料模型中，取復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的問題可簡化為一維控制微分方程來求解。假設(shè)斷裂纖維附近的基體剪切屈服，基體的本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性。通過以上假設(shè)消除了斷裂纖維附近基體的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的耦合，這樣模型的求解就變?yōu)榭尚械?。由于假設(shè)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(jī)械載荷循環(huán)作用下斷裂纖維以及其緊鄰的基體層的應(yīng)力分布。溫度與機(jī)械載荷同相或反相的變化方式對基體的應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的影響都很大，這主要是因?yàn)榻饘倩w的屈服應(yīng)力隨溫度的升高快速降低。當(dāng)機(jī)械載荷與溫度等幅度變化時(shí)，斷裂纖維附近的基體層在初始時(shí)存在一個(gè)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(yīng)變變化幅值為常數(shù)。塑性剪應(yīng)變變化幅值對于研究金屬基復(fù)合材料的疲勞失效是重要的參數(shù)。對應(yīng)不同的塑性剪應(yīng)變變化幅值，當(dāng)熱/機(jī)械

4、載荷達(dá)到相應(yīng)次數(shù)時(shí)，屈服段基體將與纖維脫落，進(jìn)而產(chǎn)生新的屈服段，如此推導(dǎo)下去斷裂纖維將逐漸與基體層脫落最終將會(huì)從復(fù)合材料中拔除。 在研究多纖維斷裂的復(fù)合材料板的應(yīng)力場問題時(shí)，考慮了基體承受拉應(yīng)力以及纖維斷裂對整個(gè)復(fù)合材料板的應(yīng)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(fù)合材料板的應(yīng)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(shí)屈服。文中通過影響函數(shù)加權(quán)