考慮界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報(bào)研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：TB12學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文考慮界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報(bào)研究博士研究生：楊仲導(dǎo)師：張博明教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：工程力學(xué)所在單位：復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所答辯日期：2010年8月29日授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I0B摘要碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)由于其諸多卓越的力學(xué)性能在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的宏觀性能是由其特殊的細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定

2、的，為了更加充分地發(fā)揮其力學(xué)潛能，需要深入了解其宏觀現(xiàn)象的細(xì)觀本質(zhì)。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人們對復(fù)合材料界面相的認(rèn)識(shí)逐漸深入，從改變界面相性能角度優(yōu)化復(fù)合材料是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在這樣的背景下，建立含有界面相的單向復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報(bào)具有重要的工程和學(xué)術(shù)意義。為了在理論上清晰描述本論文的研究思路，將復(fù)合材料整體上等效為一個(gè)黑匣子，其細(xì)觀和宏觀參數(shù)分別作為黑匣子的輸入和輸出部分，性能預(yù)報(bào)研究的主要任務(wù)就是揭開黑匣子的秘密，建立該輸入輸出之

3、間的定量關(guān)系，為復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)。本文針對單向CFRP，在考慮界面相的前提下，從剛度性能、熱彈性性能、強(qiáng)度性能三個(gè)角度建立一套基于細(xì)觀力學(xué)的性能預(yù)報(bào)方法，在預(yù)報(bào)宏觀性能的同時(shí)揭示細(xì)觀彈性應(yīng)力狀態(tài)直至損傷和破壞過程機(jī)理。本文所建立的性能預(yù)報(bào)模型在考慮纖維和基體等組分的同時(shí)，充分考慮了界面相的力學(xué)性能，并詳細(xì)分析了界面相參數(shù)的影響規(guī)律。綜合來講，本文主要研究內(nèi)容如下：1剛度性能預(yù)報(bào)：本文通過解析法和有限元法預(yù)報(bào)單向C

4、FRP的五個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)。解析法是基于Eshelby等效夾雜原理，應(yīng)用MiTanaka方法進(jìn)行兩步等效，第一步將界面相和碳纖維等效為新的等效纖維，第二步將上一步得到的等效纖維與樹脂基體進(jìn)行等效得出整體剛度性能，從而預(yù)報(bào)出復(fù)合材料宏觀剛度矩陣。有限元法將復(fù)合材料簡化為一個(gè)代表性體積元(RVE)，附上組分材料屬性并施加周期性邊界條件，施加各個(gè)方向載荷并經(jīng)過線彈性分析得出剛度矩陣中的五個(gè)獨(dú)立參數(shù)。這兩種方法的預(yù)報(bào)結(jié)果得到宏觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證

5、，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MiTanaka方法分析了界面相參數(shù)的影響規(guī)律。2熱彈性性能預(yù)報(bào)：熱彈性性能預(yù)報(bào)主要包括熱殘余應(yīng)力分析和宏觀等效熱膨脹系數(shù)(CTE)預(yù)報(bào)，后者依賴于前者準(zhǔn)確的細(xì)觀力學(xué)分析模型。針對由于細(xì)觀組分材料的CTE不匹配引起的熱殘余應(yīng)力，將復(fù)合材料簡化為含有纖維、界面相、基體的軸對稱圓柱體，建立彈性力學(xué)基本方程并結(jié)合邊界條件得到殘余應(yīng)力場，其結(jié)果與有限元數(shù)值結(jié)果幾乎完全一致。在此基礎(chǔ)上，提出增量法用以分析樹脂性能隨溫度變化的特點(diǎn)，