在熱-機(jī)械載荷作用下金屬基復(fù)合材料纖維斷裂分析.pdf

1、本文分析研究了含斷裂纖維的金屬基復(fù)合材料中斷裂纖維對(duì)復(fù)合材料應(yīng)力場(chǎng)的影響。作為研究金屬基復(fù)合材料在熱/機(jī)械載荷循環(huán)作用下的疲勞特性的前期工作，文中分析了在熱/機(jī)械載荷循環(huán)作用下復(fù)合材料的應(yīng)力場(chǎng)。文中分別討論了復(fù)合材料的基體不承受拉應(yīng)力與承受拉應(yīng)力兩種情況，通過(guò)理論分析的方法主要研究了兩種情況：在熱/機(jī)械載荷循環(huán)作用下，三維單層復(fù)合材料含有單根斷裂纖維的應(yīng)力場(chǎng)的分析；二維單層復(fù)合材料板含有多根斷裂纖維的應(yīng)力場(chǎng)的分析。通過(guò)剪切滯后模型建立了

2、復(fù)合材料應(yīng)力場(chǎng)的控制微分方程。 在三維復(fù)合材料模型中，取復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)體單元為正六棱柱體單元，由于正六棱柱體的對(duì)稱(chēng)性并且忽略了斷裂纖維對(duì)周?chē)w維的影響，使得三維復(fù)合材料的問(wèn)題可簡(jiǎn)化為一維控制微分方程來(lái)求解。假設(shè)斷裂纖維附近的基體剪切屈服，基體的本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性。通過(guò)以上假設(shè)消除了斷裂纖維附近基體的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的耦合，這樣模型的求解就變?yōu)榭尚械?。由于假設(shè)纖維的斷裂僅對(duì)緊鄰的基體層有影響而對(duì)其余的纖維與基體都無(wú)影響，因而在三

3、維模型中著重分析了在熱/機(jī)械載荷循環(huán)作用下斷裂纖維以及其緊鄰的基體層的應(yīng)力分布。溫度與機(jī)械載荷同相或反相的變化方式對(duì)基體的應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的影響都很大，這主要是因?yàn)榻饘倩w的屈服應(yīng)力隨溫度的升高快速降低。當(dāng)機(jī)械載荷與溫度等幅度變化時(shí)，斷裂纖維附近的基體層在初始時(shí)存在一個(gè)穩(wěn)定的塑性循環(huán)區(qū)，在每一循環(huán)周期中基體的塑性剪應(yīng)變變化幅值為常數(shù)。塑性剪應(yīng)變變化幅值對(duì)于研究金屬基復(fù)合材料的疲勞失效是重要的參數(shù)。對(duì)應(yīng)不同的塑性剪應(yīng)變變化幅值，當(dāng)熱/機(jī)械

4、載荷達(dá)到相應(yīng)次數(shù)時(shí)，屈服段基體將與纖維脫落，進(jìn)而產(chǎn)生新的屈服段，如此推導(dǎo)下去斷裂纖維將逐漸與基體層脫落最終將會(huì)從復(fù)合材料中拔除。 在研究多纖維斷裂的復(fù)合材料板的應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，考慮了基體承受拉應(yīng)力以及纖維斷裂對(duì)整個(gè)復(fù)合材料板的應(yīng)力場(chǎng)的影響，在纖維與基體之間存在剪切層。通過(guò)纖維斷裂的影響函數(shù)引入纖維斷裂對(duì)復(fù)合材料板的應(yīng)力場(chǎng)影響。文中討論了纖維斷裂后可能產(chǎn)生的三種情況：基體屈服、剪切層屈服以及基體與剪切層同時(shí)屈服。文中通過(guò)影響函數(shù)加權(quán)