复合材料损伤与断裂力学研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第22卷第1期北京工商大学学报(自然科学版)Vo1．22No．1342004年1月JournalofBeijingTechnologyandBusinessUniversity(NaturalScienceEdition)Jan．2004文章编号：1671—1513(2004)01—0034—05复合材料损伤与断裂力学研究张力，张恒，李雯(1．北京工商大学机械自动化学院，北京100037；2．郑州大学机电学院，郑州450052)摘要：对纤维增强聚合物基复合材料进行了损伤与断裂力学分析，建立了材料

2、的模型，采用基体横向裂纹的剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结果；采用边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因子，建立裂纹的扩展判据，并对纤维断裂进行了弹性分析．针对玻璃纤维／酚醛复合材料层板进行了理论和实验分析，得到材质裂纹密度与刚度退化的相关曲线，实验结果验证了理论分析结果的正确性；得到应力强度因子随裂纹尺度的变化曲线和对纤维断裂和脱胶引起的刚度退化的计算结果．关键词：复合材料；损伤；断裂中图分类号：TB332文献标识码：A复合材料与金属材料有完全不同的损伤、断裂密度增大、联接和交叉，导致复合材料刚度退化．采与疲劳机理．随着纤维

3、复合材料在航天、航空、汽车用剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结等方面的日益广泛应用，对复合材料损伤、断裂力学果．研究和疲劳机理分析越来越重要．根据复合材料损复合材料的最终破坏多半是纤维断裂．纤维断伤与断裂机理来设计复合材料结构是结构安全可靠裂和基体开裂是相关的．基体开裂导致局部应力重的保证L1]．新分布，使纤维集中应力增大，发生断裂．当基体裂纹与纤维相交时，裂纹尖端的高应力可能会使纤维／1材料模型的建立基体脱胶，拔出、最终断裂．另外，单根纤维断裂后引起应力重新分布，也可能促使邻近纤维的断裂．采用对汽车零部件用复合材料，常采用传递模成型

4、边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因或模压料模塑成型工艺，其材质和平行于制品外表子，建立裂纹的扩展判据，并对纤维断裂进行了弹性面方位有一定的分层性，根据该特征，把纤维增强复分析，把材料的宏观强度和微观裂纹的扩展规律联合材料简化成一般各向异性层板作为损伤和断裂分系起来．析的力学模型．2损伤特征3基体横向裂纹的剪切迟滞分析川若设复合材料层合板某层i发生横向中心裂纹损伤的基本类型通常有4种：基体开裂、纤维断(等于第i层厚度)．如图1所示的一维模型分为3裂、纤维／基体脱胶和分层．上述基体损伤形式的组个区：中心区为裂纹层，裂纹长度a；两侧为约束

5、区，合导致层板的层内裂纹、层间裂纹和纤维断裂的产宽度为c；中心裂纹区两侧界面存在剪切过渡区，宽生．度为b．沿X轴长为dz的一维平衡方程：基体开裂首先发生在局部拉伸应力较大而基体有缺陷的部位．随着载荷的增大或反复地作用，裂纹’收稿日期：2003—10—23基金项目：国家自然科学基金资助项目(19972063)和北京市委组织部优秀人才资助项目．作者简介：张力(1959-)，女，湖北荆门人，教授，博士，硕士生导师，主要从事机械和复合材料研究维普资讯http://www.cqvip.com第22卷第1期张力等：复合材料损伤与断裂力学研究确性，如图4所

6、示．f。：IJll‘fI~ut~l2_2O—．．1．上II1lI2．oo甚III台1．80I—-———21．6OI●I趟III垒1．40枢窿III1．2OIII1．0OII珥C工作应力，MPa图1一维模型图3E玻璃纤维／酚醛复合材料的裂纹密度与刚度退化的相关曲线。一(一(一0(1)式中，E为裂纹层沿X方向的杨氏弹性模量；G为基体剪切模量为板层沿X方向的平均位移．边魁瑟界条件为：1I一。。一I一。。=一0一0(2)fr裂纹密度／4ram-式中，2丁为层合板厚度，x／T=6表示横向裂纹所图4裂纹密度与刚度退化的相关曲线在位置．对于约束区可以列出类

7、似的2阶微分方程．求4边界配置法求解各向异性裂纹体的解上述位移表示的微分方程组，并利用边界条件强度因子D(2)，可以近似得到正应力的分布(图2)．当x／T=4．5时，接近于基体的断裂应力，可能发生另一采用参考文献Eg]中的方法对玻璃纤维／酚醛复条横向裂纹，并可以近似算出横向基体裂纹间距．随合材料层板进行计算，得到应力强度因子随裂纹着外载荷的增大，横向基体裂纹的间距将不断减少，尺度的变化曲线如图5所示．裂纹密度增大．图2正应力以分布图5应力强度因子S随裂纹尺度的变化曲线裂纹密度增大的同时，材料的刚度不断退化．例如图3所示~0／90。]sE玻璃纤

8、维／酚醛复合材料层5纤维断裂的弹性分析q合板在准静态拉伸下，刚度由初始的21GPa逐渐退化到约11GPa．假设单根纤维裂纹在断口附近纤维／基体界面采用上述方法对玻璃