縫紉復合材料細觀結(jié)構(gòu)表征及面內(nèi)力學性能的理論和模擬.pdf

1、傳統(tǒng)纖維增強復合材料層合板的不足之處在于相對較低的層間斷裂強度和韌性以及較低的沖擊損傷容限，在橫向載荷尤其是低速沖擊載荷作用下很容易發(fā)生分層破壞?？p紉作為一種能有效提高復合材料層間力學性能的低成本方法一直得到人們的廣泛關(guān)注。厚度方向上的纖維直接增強可以充分提高層合板層間的斷裂韌性、低速沖擊損傷容限和沖擊后壓縮強度。也就是說，對于縫紉復合材料層合板，分層破壞已不再是破壞的主要形式。一個值得關(guān)注的問題是：縫紉過程中縫紉線的加入迫使原來均勻分

2、布的面內(nèi)纖維發(fā)生彎曲變形和聚集現(xiàn)象，造成面內(nèi)結(jié)構(gòu)的嚴重非均勻性，并使層合板面內(nèi)產(chǎn)生局部損傷，在一定程度上影響層合板的面內(nèi)力學性能。本文旨在對縫紉誘導的局部細觀結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化、定量化的表征，深入地研究縫紉造成的結(jié)構(gòu)和性能的嚴重非均勻性，探尋縫紉復合材料在拉伸載荷作用下的面內(nèi)力學行為，發(fā)展一套預測縫紉復合材料面內(nèi)力學性能的理論體系和模擬方法，揭示面內(nèi)宏觀力學性能與縫紉引起的纖維擾動之間的內(nèi)在關(guān)系，力圖將縫紉復合材料層合板在拉伸載荷作用下的面

3、內(nèi)剛度和強度與材料體系、體積分數(shù)、縫紉線直徑以及縫紉密度等定量地聯(lián)系起來。 基于對縫紉孔附近的局部細觀結(jié)構(gòu)的試驗研究，本文將代表性單元體按材料性質(zhì)的不同劃分為四個不同的區(qū)域，即未變形區(qū)、纖維變形區(qū)、樹脂富集區(qū)和厚度增強區(qū)。提取四個細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括變形區(qū)長度、變形區(qū)寬度、縫紉孔短軸和縫紉孔長軸，來表征縫紉誘導的局部細觀結(jié)構(gòu)。對細觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字照片進行圖像處理，進而對細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行定量測量，測量結(jié)果表明細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量值服從正態(tài)

4、分布。并且找到四個細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量關(guān)系，即：變形區(qū)長度約是縫紉孔短軸的12-20倍，變形區(qū)寬度和縫紉孔長軸約是縫紉孔短軸的3-4倍，縫紉孔短軸約是縫紉線直徑的80％。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了新型纖維彎曲模型，得到纖維偏轉(zhuǎn)角和纖維體積含量的解析表達式，給出了縫紉引起的纖維偏轉(zhuǎn)角和纖維體積含量在代表性單元體內(nèi)的空間非均勻分布。 設(shè)計了六種復合材料單向板的拉伸試驗件，包含不同的縫紉密度和縫紉線直徑以及未縫紉的情況。對各試驗件在單向準靜

5、態(tài)載荷下進行拉伸試驗，記錄其破壞模式和拉伸強度。研究結(jié)果表明：中低縫紉密度的復合材料單向板的主要破壞模式為纖維斷裂，面內(nèi)拉伸強度較高，約為未縫紉復合材料單向板拉伸強度的85-90％。拉伸強度隨縫紉密度和縫紉線直徑的增加而降低。當縫紉密度過高時，相鄰縫紉孔之間相互干涉造成樹脂富集區(qū)之間彼此聯(lián)接貫通，復合材料的破壞模式為復合材料撕裂破壞，拉伸強度較低，約為未縫紉復合材料單向板拉伸強度的70％?？p紉線的加入造成面內(nèi)纖維的偏轉(zhuǎn)變形，在單向拉伸載

6、荷作用下，纖維不僅產(chǎn)生軸向位移，還產(chǎn)生橫向位移。為此，采用歐拉.貝努利曲梁來描述單根纖維的力學行為，建立相互作用微曲梁模型。采用有限差分法對控制微分方程進行數(shù)值求解，得到與有限元模型相吻合的結(jié)果，表明該模型可以很好的預測縫紉誘導的局部應力集中。 由于纖維拉伸強度的分散性，采用雙參數(shù)韋伯分布來描述纖維強度的統(tǒng)計分布?？紤]纖維的隨機斷裂及基體剪切破壞兩種破壞模式，建立了統(tǒng)一型微曲梁相互作用模型。發(fā)展了復合材料拉伸破壞過程的模擬方法，

7、結(jié)合蒙特卡羅模擬技術(shù)，對縫紉復合材料單向板在單向拉伸載荷作用下的破壞過程進行數(shù)值模擬，得到與試驗相吻合的結(jié)果，表明該理論模型和模擬方法的正確性。 研究了縫紉密度以及細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括變形區(qū)長度、變形區(qū)寬度和縫紉孔短軸對復合材料單向板拉伸強度和彈性模量的影響。研究結(jié)果表明當纖維強度服從雙參數(shù)韋伯分布時，縫紉復合材料單向板的拉伸強度也服從雙參數(shù)的韋伯分布，且其形狀參數(shù)與纖維強度韋伯分布的形狀參數(shù)在數(shù)值上基本相當。拉伸強度隨縫紉行距的增