纖維-樹脂復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響.pdf

1、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量、較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性、良好的抗疲勞性和耐腐蝕性以及便于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于航空航天、建筑、汽車、艦船、體育器材等領(lǐng)域。特別是在航空結(jié)構(gòu)中，已成為主要材料之一。纖維復(fù)合材料具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)多尺度化、組分材料高異質(zhì)化的顯著特征，導(dǎo)致力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)具有高度的關(guān)聯(lián)性。因此，針對(duì)國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃中確立的大飛機(jī)重大專項(xiàng)，開展纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能相關(guān)性研究，實(shí)現(xiàn)高性能、低缺陷、低成本目標(biāo)，具有

2、重要的科學(xué)意義以及廣闊的工程應(yīng)用背景。
　　 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是航空工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的兩種工程結(jié)構(gòu)件。紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于內(nèi)部增強(qiáng)體交織構(gòu)造的存在，其應(yīng)力場(chǎng)高度非均勻化，在某些區(qū)域存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的位置與紡織構(gòu)造和外載荷類型高度相關(guān)。層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在面內(nèi)方向能夠提供足夠的承載能力，但由于層間區(qū)域界面性能較弱，對(duì)面外沖擊高度敏感，容易造成層間分層，嚴(yán)重降低層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料后繼服役過程中的力學(xué)性能，形

3、成潛在的安全隱患。解決上述問題的有效方法之一是開展纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu).性能相關(guān)性的數(shù)值分析，研究復(fù)合材料在各種載荷下的力學(xué)行為、損傷機(jī)理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持，使復(fù)合材料制品滿足性能要求和尺寸要求，預(yù)測(cè)和避免潛在安全隱患的產(chǎn)生。盡管國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量研究，但相對(duì)于復(fù)雜的物理過程，數(shù)值分析所建模型仍舊比較簡化，同時(shí)缺乏不同材料結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比研究。針對(duì)這些不足之處，結(jié)合課題背景和項(xiàng)目來源，

4、本文以紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用數(shù)值分析的方法研究了材料結(jié)構(gòu)對(duì)材料微觀應(yīng)力分布以及宏觀力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，同時(shí)在多尺度層次下對(duì)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu).力學(xué)性能相關(guān)性開展了系統(tǒng)深入的研究。
　　 本文的主要工作以及結(jié)論如下：
　　 首先，針對(duì)復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)中的微觀尺度-纖維尺度，開展了單向復(fù)合材料力學(xué)性能的數(shù)值分析，并以此作為后續(xù)章節(jié)中纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性分析的基礎(chǔ)。本文選取了更接近于橫觀各向

5、同性的纖維六邊形布排方式，建立了周期性代表單胞模型。在代表單胞的相對(duì)表面上施加了周期性邊界條件，實(shí)現(xiàn)了材料受載變形之后其單胞對(duì)應(yīng)邊界上不僅位移連續(xù)而且應(yīng)力連續(xù)，保證了結(jié)構(gòu)的周期性和力學(xué)性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。針對(duì)纖維復(fù)合材料中存在的增強(qiáng)相、基體相以及界面相三種組分，分別采用橫觀各向同性(或者各向同性)、各向同性、內(nèi)聚力模型等材料本構(gòu)關(guān)系建立了相應(yīng)的力學(xué)模型。數(shù)值模擬了單胞模型在多種載荷情況下的微觀應(yīng)力分布。同時(shí)，利用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)中的均質(zhì)化

6、方法分析了單向復(fù)合材料的等效彈性模量。在微觀應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用漸進(jìn)損傷的方法，進(jìn)一步針對(duì)單向復(fù)合材料的失效強(qiáng)度進(jìn)行了有限元模擬，重點(diǎn)討論了界面強(qiáng)度對(duì)單向復(fù)合材料整體失效的影響。結(jié)果表明：在縱向加載下，材料的失效強(qiáng)度由纖維主控，界面強(qiáng)度對(duì)縱向載荷下單向復(fù)合材料的失效行為影響較??；而在橫向載荷下，基體損傷與界面失效交互出現(xiàn)，界面性能對(duì)材料整體失效有著重要影響，特別是在橫向剪切載荷下，界面粘結(jié)強(qiáng)度的提高能夠顯著提高材料抵抗剪切失效的性能

7、。
　　 其次，在單向復(fù)合材料分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)更大結(jié)構(gòu)尺度-纖維束尺度，數(shù)值分析了編織復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能相關(guān)性。以具有代表性的二軸編織復(fù)合材料(1×1編織和2×2編織)為研究對(duì)象，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力場(chǎng)分析困難、研究較少的非正交編織，本文摒棄了傳統(tǒng)的矩形單胞選取方式，采用了更適于進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析的平行四邊形周期性代表單胞；同時(shí)，考慮了非正交編織中纖維束變化的橫截面，構(gòu)建了更接近真實(shí)構(gòu)造的有限元模型，在此基礎(chǔ)上分析了不同紡織

8、構(gòu)造對(duì)復(fù)合材料彈性性能的影響以及在不同載荷情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非均勻應(yīng)力分布規(guī)律，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中情況。研究發(fā)現(xiàn)：紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力分布與紗線的交織構(gòu)造具有高度的關(guān)聯(lián)性；編織角對(duì)材料整體的等效性能具有重要影響；1×1與2×2這兩個(gè)不同的編織構(gòu)造之間的差異性同樣會(huì)引起材料力學(xué)性能的不同。
　　 然后，以單向纖維復(fù)合材料力學(xué)性能分析結(jié)論為基礎(chǔ)，在宏觀尺度上對(duì)層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值分析。根據(jù)漸進(jìn)損

9、傷原理，針對(duì)層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在準(zhǔn)靜壓下出現(xiàn)的各種損傷，確立了相應(yīng)的失效判據(jù)和材料性能退化準(zhǔn)則，構(gòu)建了預(yù)測(cè)復(fù)合材料層合板準(zhǔn)靜壓損傷的有限元模型，深入分析了在準(zhǔn)靜壓載荷下層合板內(nèi)部各種損傷的演化規(guī)律以及層合結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)靜壓損傷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在沖擊載荷下降之前，基體損傷以及分層破壞的擴(kuò)展速度相對(duì)比較平緩，伴隨材料宏觀力學(xué)性能退化的出現(xiàn)，損傷開始快速擴(kuò)展；在層合板總厚度不變的情況下，纖維鋪層厚度的增加會(huì)加大層合板的基體開裂損傷以及分層損

10、傷，同時(shí)抑制纖維斷裂的發(fā)生。
　　 最后，在復(fù)合材料層合板準(zhǔn)靜壓損傷分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)有限元分析。采用連續(xù)損傷力學(xué)構(gòu)建了纖維鋪層內(nèi)的材料模型，運(yùn)用內(nèi)聚力模型構(gòu)造了層間區(qū)域模型，將兩者相結(jié)合建立了層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下的損傷有限元模型。深入分析了在低速?zèng)_擊載荷下層合板整體的力學(xué)響應(yīng)、分層損傷的演化過程、沖擊能量轉(zhuǎn)換耗散過程以及損傷區(qū)域分布規(guī)律，還討論了層間界面性能以及纖維鋪