縫紉復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征及面內(nèi)力學(xué)性能的理論和模擬.pdf

1、傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的不足之處在于相對(duì)較低的層間斷裂強(qiáng)度和韌性以及較低的沖擊損傷容限，在橫向載荷尤其是低速?zèng)_擊載荷作用下很容易發(fā)生分層破壞?？p紉作為一種能有效提高復(fù)合材料層間力學(xué)性能的低成本方法一直得到人們的廣泛關(guān)注。厚度方向上的纖維直接增強(qiáng)可以充分提高層合板層間的斷裂韌性、低速?zèng)_擊損傷容限和沖擊后壓縮強(qiáng)度。也就是說，對(duì)于縫紉復(fù)合材料層合板，分層破壞已不再是破壞的主要形式。一個(gè)值得關(guān)注的問題是：縫紉過程中縫紉線的加入迫使原來均勻分

2、布的面內(nèi)纖維發(fā)生彎曲變形和聚集現(xiàn)象，造成面內(nèi)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重非均勻性，并使層合板面內(nèi)產(chǎn)生局部損傷，在一定程度上影響層合板的面內(nèi)力學(xué)性能。本文旨在對(duì)縫紉誘導(dǎo)的局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化、定量化的表征，深入地研究縫紉造成的結(jié)構(gòu)和性能的嚴(yán)重非均勻性，探尋縫紉復(fù)合材料在拉伸載荷作用下的面內(nèi)力學(xué)行為，發(fā)展一套預(yù)測(cè)縫紉復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的理論體系和模擬方法，揭示面內(nèi)宏觀力學(xué)性能與縫紉引起的纖維擾動(dòng)之間的內(nèi)在關(guān)系，力圖將縫紉復(fù)合材料層合板在拉伸載荷作用下的面

3、內(nèi)剛度和強(qiáng)度與材料體系、體積分?jǐn)?shù)、縫紉線直徑以及縫紉密度等定量地聯(lián)系起來。 基于對(duì)縫紉孔附近的局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，本文將代表性單元體按材料性質(zhì)的不同劃分為四個(gè)不同的區(qū)域，即未變形區(qū)、纖維變形區(qū)、樹脂富集區(qū)和厚度增強(qiáng)區(qū)。提取四個(gè)細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括變形區(qū)長(zhǎng)度、變形區(qū)寬度、縫紉孔短軸和縫紉孔長(zhǎng)軸，來表征縫紉誘導(dǎo)的局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)。對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字照片進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量值服從正態(tài)

4、分布。并且找到四個(gè)細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，即：變形區(qū)長(zhǎng)度約是縫紉孔短軸的12-20倍，變形區(qū)寬度和縫紉孔長(zhǎng)軸約是縫紉孔短軸的3-4倍，縫紉孔短軸約是縫紉線直徑的80％。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了新型纖維彎曲模型，得到纖維偏轉(zhuǎn)角和纖維體積含量的解析表達(dá)式，給出了縫紉引起的纖維偏轉(zhuǎn)角和纖維體積含量在代表性單元體內(nèi)的空間非均勻分布。 設(shè)計(jì)了六種復(fù)合材料單向板的拉伸試驗(yàn)件，包含不同的縫紉密度和縫紉線直徑以及未縫紉的情況。對(duì)各試驗(yàn)件在單向準(zhǔn)靜

5、態(tài)載荷下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄其破壞模式和拉伸強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：中低縫紉密度的復(fù)合材料單向板的主要破壞模式為纖維斷裂，面內(nèi)拉伸強(qiáng)度較高，約為未縫紉復(fù)合材料單向板拉伸強(qiáng)度的85-90％。拉伸強(qiáng)度隨縫紉密度和縫紉線直徑的增加而降低。當(dāng)縫紉密度過高時(shí)，相鄰縫紉孔之間相互干涉造成樹脂富集區(qū)之間彼此聯(lián)接貫通，復(fù)合材料的破壞模式為復(fù)合材料撕裂破壞，拉伸強(qiáng)度較低，約為未縫紉復(fù)合材料單向板拉伸強(qiáng)度的70％。縫紉線的加入造成面內(nèi)纖維的偏轉(zhuǎn)變形，在單向拉伸載

6、荷作用下，纖維不僅產(chǎn)生軸向位移，還產(chǎn)生橫向位移。為此，采用歐拉.貝努利曲梁來描述單根纖維的力學(xué)行為，建立相互作用微曲梁模型。采用有限差分法對(duì)控制微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到與有限元模型相吻合的結(jié)果，表明該模型可以很好的預(yù)測(cè)縫紉誘導(dǎo)的局部應(yīng)力集中。 由于纖維拉伸強(qiáng)度的分散性，采用雙參數(shù)韋伯分布來描述纖維強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布。考慮纖維的隨機(jī)斷裂及基體剪切破壞兩種破壞模式，建立了統(tǒng)一型微曲梁相互作用模型。發(fā)展了復(fù)合材料拉伸破壞過程的模擬方法，

7、結(jié)合蒙特卡羅模擬技術(shù)，對(duì)縫紉復(fù)合材料單向板在單向拉伸載荷作用下的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到與試驗(yàn)相吻合的結(jié)果，表明該理論模型和模擬方法的正確性。 研究了縫紉密度以及細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括變形區(qū)長(zhǎng)度、變形區(qū)寬度和縫紉孔短軸對(duì)復(fù)合材料單向板拉伸強(qiáng)度和彈性模量的影響。研究結(jié)果表明當(dāng)纖維強(qiáng)度服從雙參數(shù)韋伯分布時(shí)，縫紉復(fù)合材料單向板的拉伸強(qiáng)度也服從雙參數(shù)的韋伯分布，且其形狀參數(shù)與纖維強(qiáng)度韋伯分布的形狀參數(shù)在數(shù)值上基本相當(dāng)。拉伸強(qiáng)度隨縫紉行距的增