考慮界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TB12學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號：621密級：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文考慮界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報研究博士研究生：楊仲導(dǎo)師：張博明教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：工程力學(xué)所在單位：復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所答辯日期：2010年8月29日授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I0B摘要碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于其諸多卓越的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的宏觀性能是由其特殊的細觀結(jié)構(gòu)決定

2、的，為了更加充分地發(fā)揮其力學(xué)潛能，需要深入了解其宏觀現(xiàn)象的細觀本質(zhì)。隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，人們對復(fù)合材料界面相的認識逐漸深入，從改變界面相性能角度優(yōu)化復(fù)合材料是目前的一個研究熱點。在這樣的背景下，建立含有界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報具有重要的工程和學(xué)術(shù)意義。為了在理論上清晰描述本論文的研究思路，將復(fù)合材料整體上等效為一個黑匣子，其細觀和宏觀參數(shù)分別作為黑匣子的輸入和輸出部分，性能預(yù)報研究的主要任務(wù)就是揭開黑匣子的秘密，建立該輸入輸出之

3、間的定量關(guān)系，為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計、性能評價提供理論指導(dǎo)。本文針對單向CFRP，在考慮界面相的前提下，從剛度性能、熱彈性性能、強度性能三個角度建立一套基于細觀力學(xué)的性能預(yù)報方法，在預(yù)報宏觀性能的同時揭示細觀彈性應(yīng)力狀態(tài)直至損傷和破壞過程機理。本文所建立的性能預(yù)報模型在考慮纖維和基體等組分的同時，充分考慮了界面相的力學(xué)性能，并詳細分析了界面相參數(shù)的影響規(guī)律。綜合來講，本文主要研究內(nèi)容如下：1剛度性能預(yù)報：本文通過解析法和有限元法預(yù)報單向C

4、FRP的五個獨立彈性常數(shù)。解析法是基于Eshelby等效夾雜原理，應(yīng)用MiTanaka方法進行兩步等效，第一步將界面相和碳纖維等效為新的等效纖維，第二步將上一步得到的等效纖維與樹脂基體進行等效得出整體剛度性能，從而預(yù)報出復(fù)合材料宏觀剛度矩陣。有限元法將復(fù)合材料簡化為一個代表性體積元(RVE)，附上組分材料屬性并施加周期性邊界條件，施加各個方向載荷并經(jīng)過線彈性分析得出剛度矩陣中的五個獨立參數(shù)。這兩種方法的預(yù)報結(jié)果得到宏觀實驗數(shù)據(jù)的對比驗證

5、，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MiTanaka方法分析了界面相參數(shù)的影響規(guī)律。2熱彈性性能預(yù)報：熱彈性性能預(yù)報主要包括熱殘余應(yīng)力分析和宏觀等效熱膨脹系數(shù)(CTE)預(yù)報，后者依賴于前者準(zhǔn)確的細觀力學(xué)分析模型。針對由于細觀組分材料的CTE不匹配引起的熱殘余應(yīng)力，將復(fù)合材料簡化為含有纖維、界面相、基體的軸對稱圓柱體，建立彈性力學(xué)基本方程并結(jié)合邊界條件得到殘余應(yīng)力場，其結(jié)果與有限元數(shù)值結(jié)果幾乎完全一致。在此基礎(chǔ)上，提出增量法用以分析樹脂性能隨溫度變化的特點，