聚乙烯自增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料損傷失效機(jī)理研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維具有優(yōu)異的綜合性能，以其作為增強(qiáng)體的聚乙烯自增強(qiáng)(PE/PE)熱塑性復(fù)合材料由于纖維和基體材料的化學(xué)相容性，可很好地發(fā)揮UHMWPE纖維的綜合優(yōu)良性能，因此，是一種極具應(yīng)用前景的先進(jìn)復(fù)合材料。研究PE/PE復(fù)合材料的損傷失效機(jī)理，對(duì)確保其結(jié)構(gòu)在服役過程中的力學(xué)安全性是十分重要的，也有利于獲得最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有對(duì)復(fù)合材料損傷失效機(jī)理的研究大多是集中在碳纖維、玻璃纖維等增強(qiáng)的熱固性復(fù)合材料上。然而，由于

2、基體的塑性性能、復(fù)合材料的熱塑成型等特點(diǎn)，熱塑性復(fù)合材料力學(xué)行為與熱固性復(fù)合材料有很大的差異，而近年來隨著熱塑性復(fù)合材料的快速發(fā)展，工程領(lǐng)域應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料越來越廣泛，因此，對(duì)熱塑性復(fù)合材料損傷失效機(jī)理的研究很有必要。本文對(duì)PE/PE熱塑性復(fù)合材料損傷失效機(jī)理的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷是一個(gè)復(fù)雜的逐漸破壞過程，一般包含有基體開裂、纖維斷裂、纖維抽拔、纖維-基體界面脫粘和分層等多種損傷模式。為了準(zhǔn)確揭示P

3、E/PE復(fù)合材料的逐漸損傷過程，本文開展了兩個(gè)部分的研究工作：一是以基于逐漸損傷分析的有限元法作數(shù)值模擬研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)層合板損傷進(jìn)程及強(qiáng)度等性能的預(yù)報(bào)；二是以基于信號(hào)模式識(shí)別(PR)分析的聲發(fā)射(AE)技術(shù)作實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究，獲取關(guān)于復(fù)合材料損傷進(jìn)程的更豐富信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驗(yàn)證。本文為兩種方法研究中尚存在的很多問題提供了新的解決思路，并以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)便有效的解釋熱塑性復(fù)合材料損傷機(jī)制與檢測(cè)分析的方法。
　　 在數(shù)值模

4、擬研究中，首先開展了幾種UHMWPE/LDPE單層板(0°、90°和45°)的力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步分析發(fā)現(xiàn)，該材料的縱向、橫向與偏軸剪切拉伸均存在明顯的非線性，其縱向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)方向上的拉伸強(qiáng)度。針對(duì)這一特性，以分段線彈性方法考慮了復(fù)合材料各向材料屬性(E1、E2和G12)的非線性，并結(jié)合復(fù)合材料層合板的逐漸損傷有限元分析方法提出了一種綜合考慮縱向、橫向與面內(nèi)剪切非線性的PE/PE層合板逐漸損傷模型。
　　 然

5、后，利用ANSYS軟件對(duì)所建立的含材料非線性的PE/PE層合板逐漸損傷模型進(jìn)行模擬，采用APDL語言編寫了參數(shù)化的有限元分析程序。模擬研究了單層板的材料非線性對(duì)其力學(xué)行為的影響及層合板的逐漸損傷過程。與拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果表明：UHMWPE/LDPE復(fù)合材料的各向材料屬性(E1、E2和G12)非線性對(duì)于復(fù)合材料力學(xué)行為的數(shù)值模擬具有重要影響，而巨的非線性對(duì)于復(fù)合材料層合板的拉伸力學(xué)行為有著顯著的影響；以分段線彈性的方法表征各向材料屬性

6、的非線性，可簡(jiǎn)便有效地分析復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)由于材料非線性而造成的非線性力學(xué)特性；所建立的含材料非線性的逐漸損傷模型清楚地揭示了UHMWPE/LDPE層合板在拉伸損傷過程中的基體開裂、纖維-基體脫粘和纖維斷裂等損傷模式，并能反映損傷的進(jìn)程，它簡(jiǎn)便地呈現(xiàn)了復(fù)合材料層合板的非線性拉伸過程，在應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變等性能預(yù)測(cè)上都與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相一致，取得了良好的模擬結(jié)果。
　　 在聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究中，首先研究了幾種簡(jiǎn)單

7、鋪層(0°、90°和[±45°])UHMWPE/LDPE復(fù)合材料的損傷AE特征及失效機(jī)理。采用模式識(shí)別(PR)一般分析方法對(duì)AE數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理和聚類分析。在聚類分析中，結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)獲取了較好的分類結(jié)果。結(jié)果表明，PR技術(shù)對(duì)UHMWPE/LDPE熱塑性復(fù)合材料損傷AE信號(hào)的區(qū)分是客觀適用的，并可有效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行除噪：PR方法能別出試樣中的基體開裂、纖維-基體界面脫粘、纖維抽拔和纖維斷裂等損傷模式，識(shí)別結(jié)果與利用SEM

8、對(duì)破壞斷面觀察所得結(jié)果一致；借助AE信號(hào)累計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)變的關(guān)系曲線，能清楚了解試樣中各種信號(hào)類別的活動(dòng)特性，再結(jié)合每種試樣的特點(diǎn)，并可較合理地辨清損傷模式與信號(hào)類別的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而掌握試樣的損傷活動(dòng)特性。
　　 因此，本研究以0°、90°和[±45°]UHMWPE/LDPE熱塑性復(fù)合材料為分析對(duì)象展開了進(jìn)一步的研究，輔以對(duì)LDPE基體和UHMWPE纖維的聲發(fā)射檢測(cè)分析，建立起一種能客觀識(shí)別復(fù)合材料試樣中未知信號(hào)類別損傷源機(jī)制的無監(jiān)督

9、識(shí)損傷AE信號(hào)，另一方面，通過選取適當(dāng)?shù)臉颖緮?shù)據(jù)，SPR方法同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜鋪層層合板損傷AE信號(hào)的快速區(qū)分；本文設(shè)計(jì)了從基體、纖維和簡(jiǎn)單鋪層復(fù)合材料的分析中獲取各種損傷模式的典型信號(hào)波形特征與AE信號(hào)數(shù)據(jù)，為上述兩種分析方法在復(fù)雜鋪層復(fù)合材料中的應(yīng)用解決了關(guān)鍵性的問題，獲得了合理的分析結(jié)果；兩種方法對(duì)UHMWPE/LDPE層合板的研究得到了較一致的分類結(jié)果，表明PR技術(shù)分析具有客觀一致性，層合板中不同損傷源機(jī)制所產(chǎn)的信號(hào)具有可分性。

10、
　　 分析結(jié)果顯示，對(duì)于[0/90/±45]s層合板，其主要損傷機(jī)制有基體變形開裂、纖維斷裂、和纖維-基體界面脫粘破壞，并伴有少量的纖維抽拔損傷，這些損傷都有一個(gè)發(fā)展的過程，其中纖維的損傷與斷裂是層合板失效的主要原因。以這一結(jié)果對(duì)逐漸損傷模型所揭示的層合板損傷進(jìn)程及機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證。研究最終表明，本文建立的含材料非線性的逐漸損傷模型可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)層合板的損傷特性，獲得有關(guān)損傷的狀態(tài)與進(jìn)程；模擬的結(jié)果與聲發(fā)射檢測(cè)分析結(jié)果(包括SEM分