含分層缺陷復合材料層合板分層擴展行為與數(shù)值模擬研究.pdf

1、纖維增強復合材料層合板由于其優(yōu)異的力學性能已成為現(xiàn)代飛機工業(yè)中最重要的結構材料之一。但是在其制造過程中,常由于諸多不確定因素,使結構發(fā)生分層損傷,降低結構件承載能力及使用壽命,對于復合材料層合板結構而言分層損傷是一個不容忽視的安全隱患。本文以飛機實際構件中的典型分層缺陷為研究對象,針對飛機工業(yè)中應用較為廣泛的碳纖維/環(huán)氧樹脂材料體系,開展分層缺陷的理論分析、數(shù)值模擬及試驗研究,旨在預報分層在壓縮載荷及疲勞載荷作用下的擴展情況,定量分析分

2、層缺陷對復合材料結構的影響,為工程應用提供評估理論及試驗依據(jù)。
　　針對飛機用復合材料在制造過程中產(chǎn)生的真實分層缺陷,通過統(tǒng)計與分析分層的特征參數(shù),確立了具有工程實際研究價值的典型分層。并以典型分層為研究對象,在ABAQUS平臺上以內聚力理論為基礎,建立有限元計算模型,對壓縮載荷作用下含分層缺陷復合材料層合板的分層屈曲及擴展行為進行預測。并且,通過開展層間力學性能試驗及分層屈曲試驗,驗證了數(shù)值模型的有效性。并利用數(shù)值分析的方法,對

3、試樣長寬比、分層尺寸和分層厚度位置等分層參素對分層行為的影響進行定量分析,形成了分層參數(shù)敏感性的評價標準。
　　此外,層合板結構的實際制備過程中,常由于不均勻的固化溫度場及其固化殘余應力以及樹脂的不均勻分布,使一定范圍的層合板區(qū)域內出現(xiàn)若干個分層,其分層間存在的作用關系尚無資料可尋。因此,在單一分層擴展行為研究的基礎上，針對層合板制造過程中形成的多分層缺陷,以建立多分層許用容限為目的,在前述的內聚力模型基礎上，從數(shù)值模擬的角度,首

4、次開展了厚度位置和平面位置上雙分層的擴展行為研究。確定了雙分層的屈曲模式和分層間存在耦合作用,建立了分層間作用范圍的三階段理論,并從數(shù)值模擬的角度,詳細討論了影響分層間耦合作用及分層擴展行為的分層尺寸及厚度位置等因素。
　　結構件在經(jīng)歷長期疲勞作用時,由于損傷的累積作用而導致的分層擴展給結構的使用安全帶來巨大隱患。針對此問題,在所開展的靜載荷基礎上，開展了壓縮疲勞試驗,研究復合材料層合板的分層疲勞擴展特性,包括分層擴展速率和分層穩(wěn)

5、定長度。并采用有限元方法,計算了分層前緣的應變能釋放率,并充分地考慮了各分量的作用,定量地分析載荷水平、分層尺寸和厚度位置等參數(shù)對分層疲勞擴展行為的影響。并采用掃描電鏡對分層擴展路徑的微觀形貌進行表征,分析分層擴展行為的微觀機制。
　　同時,以分層疲勞擴展試驗為基礎,提出了一種簡化的疲勞分層計算模型;通過試驗數(shù)據(jù)的曲線擬合,確定了數(shù)值分析所需要的半經(jīng)驗參數(shù)。對貫穿分層的疲勞擴展行為進行數(shù)值模擬,利用前述試驗驗證了該簡化模型定性預測