c树脂基复合材料的裂纹与强度关系研究.pdfVIP

())* 年第( 期 玻 璃 钢! 复 合 材 料 1 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 基于细观模型的纤维增强树脂基复合材料的裂纹与强度关系研究 3 3，( 3 ( 王 歆 ，贾玉玺 ，季 忠 ，李红周 （3+ 山东大学材料科学与工程学院，济南 (.))*3；( + 中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室，长春 31))(( ） 摘要：纤维增强树脂基复合材料是一类高比强度、高比刚度的结构材料。开展该材料的裂纹与强度关系研究具有重要的 科学意义和工程价值。采用细观力学模型和有限元方法，分析 型裂纹长度和裂尖位置对复合材料应力状态和应力强度因子 ! 的影响，进而获得启裂载荷与裂纹长度和裂尖位置的关系。 关键词：复合材料；裂纹；强度；细观力学模型；数值模拟 中图分类号：8211) + 3’ ’ 文献标识码：9’ ’ 文章编号：3))1 7 )000 （())* ）)(/)))1/)1 ’ ’ 纤维增强复合材料由纤维、基体、纤维与基体的 率，针对模型的对称特点，取 3! 4 模型开展数值分 ［3) ］ 界面三相组成。由于材料制备工艺、使用环境等因 析 。初始裂纹位于中心基体的有限元分析模型 素的影响，基体中易出现宏观气泡、细观气泡、基体 示于图3［33］。围绕裂纹尖端的单元采用了奇异单 开裂等缺陷；纤维表面及其内部易出现蚀点、裂纹等 元［3( ，31 ］。纤维和树脂基体作为线弹性材料处理，它 缺陷；纤维与基体的界面易出现脱粘等缺陷。这些 们的本构关系都符合广义;--= 定律。设定纤维的 缺陷往往发展成宏观裂纹，并进一步扩展而导致材 宽度为3) ，杨氏模量为(1.?$@ ，泊松比为) + 11 ； 料失效。因此，复合材料的强度与这些缺陷的含量 树脂基体的宽度为() ，杨氏模量为1+ 1?$@ ，泊松 及分布状态密切相关［3 : 5 ］。本文采用细观力学模型 比为) + 10 。 和有限元方法，分析 型裂纹长度和裂尖位置对复 ! (’ 复合材料应力分析 合材料应力状态的影响，研究裂尖周围基体和纤维 !A ’ 裂尖位于中心基体的复合材料应力分析 的应力分布，进而获得复合材料的应力强度因子、启 令裂纹仅存在于中心基体上，对模型施加 3B 裂载荷与裂纹长度和裂尖位置的关系。 模型长度的位移约束，得到基体应力和纤维应力分 3’ 细观力学模型 布。模拟结果表明，只有临近裂纹的纤维受到一定 在细观尺度上把纤维和基体作为两种各向同性 程度的影响，而其它纤维基本没有受到影响；在裂尖 材料分别建模，它们之间以界面连接［6 ，0 ］。采用含 附近的基体应力比远离裂尖的基体应力大，但与纤 有 型裂纹的平面应变模型，界面为强结合，并假定 ! 维应力相比仍然小得多。 初始裂纹具有不同的裂纹长度和裂尖位置，以研究 !A !’ 裂尖位于纤维的复合材料应力分析 复合材料强度与初始裂纹的关系。为了提高计算效 对于裂纹贯穿中心基体且裂尖位于纤维的复合 材料施加3B 模型长度的位移