熱塑性復(fù)合材料層間細(xì)觀變形與損傷的力學(xué)行為研究.pdf

1、熱塑性復(fù)合材料AS4/PEEK層合板在航空、航天和民用先進(jìn)產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。與熱固性復(fù)合材料不同，熱塑性PEEK基體韌性明顯增加，使AS4/PEEK層合板塑性變形非常顯著，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)和損傷行為更加復(fù)雜。精確分析AS4/PEEK非彈性變形和亞臨界損傷是這類材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。 本文運(yùn)用細(xì)觀力學(xué)含微結(jié)構(gòu)代表性單元方法，采用有限元子模型方法，建立了熱塑性AS4/PEEK復(fù)合材料層合板的宏細(xì)觀彈塑性有限元模型，在受宏觀拉

2、伸載荷下，用母模型在宏觀尺度上分析了層合板的層間應(yīng)力；特別是，在細(xì)觀的纖維尺度上，建立了含纖維和基體兩相的代表性單元的細(xì)觀彈塑性有限元子模型，假設(shè)纖維是彈性體，并考慮纖維的實(shí)際尺寸(7μm)和體積含量63％，熱塑性基體PEEK為彈塑性體，其計(jì)算所用的應(yīng)力應(yīng)變曲線是材料生產(chǎn)廠家實(shí)測(cè)的曲線。首先，用含纖維和基體兩相的代表性單元的細(xì)觀有限元模型，計(jì)算了材料在拉伸、壓縮、剪切時(shí)的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線，并與AS4/PEEK單層板的實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較，

3、表明該代表性單元宏觀力學(xué)行為與實(shí)際是等效的。其次，代表性單元子模型的邊界條件，由宏觀各向異性彈性母模型計(jì)算的位移場(chǎng)插值給出，這比目前國(guó)外學(xué)者所用的細(xì)觀周期性邊界條件更接近材料的實(shí)際受力狀態(tài)。另外，采用多重子模型方法，提高在宏、細(xì)觀模型間位移插值精度，保證子模型的計(jì)算精度。在上述方法和計(jì)算的基礎(chǔ)上，用彈塑性細(xì)觀子模型，在纖維尺度上，得到了AS4/PEEK復(fù)合材料不同鋪層層合板[0/90]2s、[0/±45/90]2s和[±25]s4等受拉

4、伸載荷時(shí)，層間附近纖維與基體界面的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而在細(xì)觀尺度上考慮PEEK基體塑性和纖維基體界面強(qiáng)度，對(duì)層合板的層間應(yīng)力、纖維與基體界面脫粘、基體裂紋和分層等層合板亞臨界損傷行為的影響；并對(duì)AS4/PEEK層合板受力時(shí)由實(shí)驗(yàn)得到的諸多細(xì)觀損傷現(xiàn)象進(jìn)行了較好的分析，例如，[0/±45/90]2s層合板基體裂紋和分層裂紋都萌生于纖維基體脫粘處的界面裂紋，斜交[±25]s4層合板的分層破壞起源于層間附近纖維頭裂紋。因此，本方法對(duì)這類熱塑