含分層缺陷復(fù)合材料層合板分層擴(kuò)展行為與數(shù)值模擬研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板由于其優(yōu)異的力學(xué)性能已成為現(xiàn)代飛機(jī)工業(yè)中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。但是在其制造過(guò)程中,常由于諸多不確定因素,使結(jié)構(gòu)發(fā)生分層損傷,降低結(jié)構(gòu)件承載能力及使用壽命,對(duì)于復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)而言分層損傷是一個(gè)不容忽視的安全隱患。本文以飛機(jī)實(shí)際構(gòu)件中的典型分層缺陷為研究對(duì)象,針對(duì)飛機(jī)工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的碳纖維/環(huán)氧樹脂材料體系,開展分層缺陷的理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究,旨在預(yù)報(bào)分層在壓縮載荷及疲勞載荷作用下的擴(kuò)展情況,定量分析分

2、層缺陷對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響,為工程應(yīng)用提供評(píng)估理論及試驗(yàn)依據(jù)。
　　針對(duì)飛機(jī)用復(fù)合材料在制造過(guò)程中產(chǎn)生的真實(shí)分層缺陷,通過(guò)統(tǒng)計(jì)與分析分層的特征參數(shù),確立了具有工程實(shí)際研究?jī)r(jià)值的典型分層。并以典型分層為研究對(duì)象,在ABAQUS平臺(tái)上以內(nèi)聚力理論為基礎(chǔ),建立有限元計(jì)算模型,對(duì)壓縮載荷作用下含分層缺陷復(fù)合材料層合板的分層屈曲及擴(kuò)展行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。并且,通過(guò)開展層間力學(xué)性能試驗(yàn)及分層屈曲試驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。并利用數(shù)值分析的方法,對(duì)

3、試樣長(zhǎng)寬比、分層尺寸和分層厚度位置等分層參素對(duì)分層行為的影響進(jìn)行定量分析,形成了分層參數(shù)敏感性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
　　此外,層合板結(jié)構(gòu)的實(shí)際制備過(guò)程中,常由于不均勻的固化溫度場(chǎng)及其固化殘余應(yīng)力以及樹脂的不均勻分布,使一定范圍的層合板區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)若干個(gè)分層,其分層間存在的作用關(guān)系尚無(wú)資料可尋。因此,在單一分層擴(kuò)展行為研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)層合板制造過(guò)程中形成的多分層缺陷,以建立多分層許用容限為目的,在前述的內(nèi)聚力模型基礎(chǔ)上，從數(shù)值模擬的角度,首

4、次開展了厚度位置和平面位置上雙分層的擴(kuò)展行為研究。確定了雙分層的屈曲模式和分層間存在耦合作用,建立了分層間作用范圍的三階段理論,并從數(shù)值模擬的角度,詳細(xì)討論了影響分層間耦合作用及分層擴(kuò)展行為的分層尺寸及厚度位置等因素。
　　結(jié)構(gòu)件在經(jīng)歷長(zhǎng)期疲勞作用時(shí),由于損傷的累積作用而導(dǎo)致的分層擴(kuò)展給結(jié)構(gòu)的使用安全帶來(lái)巨大隱患。針對(duì)此問(wèn)題,在所開展的靜載荷基礎(chǔ)上，開展了壓縮疲勞試驗(yàn),研究復(fù)合材料層合板的分層疲勞擴(kuò)展特性,包括分層擴(kuò)展速率和分層穩(wěn)

5、定長(zhǎng)度。并采用有限元方法,計(jì)算了分層前緣的應(yīng)變能釋放率,并充分地考慮了各分量的作用,定量地分析載荷水平、分層尺寸和厚度位置等參數(shù)對(duì)分層疲勞擴(kuò)展行為的影響。并采用掃描電鏡對(duì)分層擴(kuò)展路徑的微觀形貌進(jìn)行表征,分析分層擴(kuò)展行為的微觀機(jī)制。
　　同時(shí),以分層疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)為基礎(chǔ),提出了一種簡(jiǎn)化的疲勞分層計(jì)算模型;通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合,確定了數(shù)值分析所需要的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。對(duì)貫穿分層的疲勞擴(kuò)展行為進(jìn)行數(shù)值模擬,利用前述試驗(yàn)驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化模型定性預(yù)測(cè)