纤维增强聚合物基复合材料的应力传递有限元分析-中国聚合物网.pdfVIP

纤维增强聚合物基复合材料的应力传递有限元分析 * * 李红周，贾玉玺 ，姜伟，安立佳 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 130022 关键词：复合材料 缺陷 概率分布 应力传递 有限元分析 纤维增强聚合物基复合材料是一类优良的结构材料，广泛应用于航空、航天、 交通、土木建筑、机械工业和体育用品等领域。由于材料制备工艺、使用环境等 因素的影响，纤维表面及其内部易出现蚀点、蚀坑、裂痕和微裂纹等缺陷。实验 表明，复合材料的强度与纤维缺陷的含量以及分布状态密切相关。开展复合材料 强度和断裂研究，具有重要的科学意义和工程价值。 为了分析纤维增强聚合物基复合材料的应力传递现象，建立了一种基于Monte Carlo方法和有限元方法的纤维增强复合材料的细观力学行为的数值模拟方法。 在单元剖分时，纤维和基体都用八节点四边形等参单元做数值离散，纤维为 等间距排列，每两根纤维间的基体宽度为纤维直径的两倍。纤维的拉伸强度为可 变参数以研究不同的纤维强度对复合材料应力传递的影响。用环氧树脂代表热固 性脆性基体，采用引入rmin 法的弹性有限元方法，分析以其为基体的复合材料的应 [1-3] 力传递 ；用聚丙烯代表热塑性韧性基体，并假定聚丙烯是服从J 2 流动理论的应 变硬化材料，采用引入rmin 法的弹塑性有限元方法，分析以其为基体的复合材料的 应力传递。假定界面为强结合，在复合材料两端施加均匀的位移增量。在施加任 何载荷之前，假定中间位置的纤维已经断裂，在经过多步迭代计算之后，应变大 到足够让其它位置的某单元达到临界强度状态，以研究纤维的断裂对邻近纤维和 基体的应力影响。 图1和图2分别为纤维增强环氧树脂和纤维增强聚丙烯单层复合材料在纵向拉 伸情况下的Mises等效应力分布图。可见，纤维上的应力比基体上的应力高一个数 量级，也就是说，对这两种复合材料来说拉伸力基本由纤维承担。 (a) epoxy-matrix (b) broken fiber (c) intact fiber Fig. 1 Mises equivalent stress distribution of fiber-reinforced epoxy-matrix monolayer composites (unit: MPa) (a) polypropylene-matrix (b) broken fiber (c) intact fiber Fig. 2 Mises equivalent stress distribution of fiber-reinforced polypropylene-matrix monolayer composites (unit: MPa) 纤维断裂所释放的应力基本上传递到临近的完好的纤维上及周围的基体上， 引起纤维和基体的应力集中。由于纤维模量比基体模量高得多，基体形变和应力 集中基本上被限制在断裂纤维单元的周围区域。当纤维的拉伸强度为425Mpa ，对 环氧基脆性复合材料，纤维断裂将引起周围环氧基体先达到其拉伸强度45.5Mpa ， 如图1 (a)所示，而此时纤维上的最大应力为327.1Mpa，如图1 (c)所示。对聚丙烯 基韧性复合材料，纤维断裂将引起周围的聚丙烯进入塑性屈服状态，基体应力已 超过屈服极限32.5Mpa，但还没有达到其拉伸强度，如图2 (a)所示，而此时纤维已 达到其拉伸强度425Mpa ，如图2 (c)所示。比较图1 (a)和图2 (a)可见，由于聚丙烯 基体的屈服，降低了基体上的应力集中程度，相对于环氧基体来说，聚丙烯基体 的应力更分散且传递得更远。 上述模拟结果表明：相对于脆性基体，韧性基体可以降低复合材料的应力集 中程度，增加复合材料的断裂韧性。 致谢 本文得到国家重点基础研究发展规划项目（2003CB615601 ）、国家自然科学基 金项目50390096）的资助。 参考文献 1.