纤维桥联作用下的典型铺层复合材料分层扩展研究
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先进复合材料以其优异的力学性能及在结构轻量化方面的巨大潜力,已经作为主承力结构广泛地应用于航空航天领域。大量的试验研究和理论分析都表明:分层扩展是导致复合材料结构失效的主要原因,也是制约复合材料有效应用的主要障碍。纤维桥联作为一种典型屏蔽机理,对复合材料的层间断裂特性及分层扩展行为存在重要影响;同时,铺层方式对分层扩展及纤维桥联也存在一定影响。为此,针对纤维桥联作用下的典型铺层复合材料分层扩展行为开展研究,明确纤维桥联在分层扩展中的作用机理,阐明铺层方式对纤维桥联的影响规律,建立有效的分析方法和预测模型,实现对纤维桥联作用下典型铺层复合材料分层扩展行为的准确描述和表征,对于复合材料在工程结构中的安全有效应用具有十分重要的意义。
针对纤维桥联作用下的典型铺层复合材料分层扩展问题,本研究综合考虑分层跳跃、三维尺寸效应及残余热应力对复合材料分层扩展行为的影响,设计、加工、制造了单向铺层和多向铺层复合材料分层扩展试验件。以此为基础首先开展宏观分层扩展试验,结合理论分析建立了分层扩展阻抗曲线(Resistance curve, R-曲线),通过深入分析R-曲线的形状特征,明确了典型铺层复合材料在纤维桥联作用下的层间断裂韧性变化规律及其异同。其次,通过开展SEM原位分层扩展分析观测,探索了典型铺层复合材料分层扩展的微观损伤演化机制及纤维桥联作用机理;结合理论分析,明确了表征纤维桥联作用对应桥联应力的分布规律,通过优化迭代提出了新的桥联法则。再次,基于叠加原理,通过对表征分层前缘损伤演化的双线性本构及表征纤维桥联作用的梯形非线性本构进行叠加,建立了考虑纤维桥联作用的新的分层扩展本构关系。最后,通过ABAQUS材料用户子程序二次开发,将所提出的分层扩展本构关系内嵌入Cohesive内聚力单元当中,实现了典型铺层复合材料由初始分层到分层扩展全过程的准确预测。
本研究以宏观/原位分层扩展试验分析观测为基础,结合理论分析、损伤机理分析和数值仿真分析,深入探索了典型铺层复合材料分层扩展的微观损伤演化规律,明确了纤维桥联在分层扩展中的作用机理,建立了有效的复合材料分层扩展本构关系模型,实现了纤维桥联作用下典型铺层复合材料分层扩展行为的准确预测。