基于三维载荷传递机制的单向复合材料纵向拉伸的多尺度模型.pdfVIP

2015年第6期 玻 璃 钢 ／复 合 材 料 5 基于三维载荷传递机制的单向复合材料纵向拉伸的多尺度模型 潘月秀 ，于雅琳 ，朱世鹏 ，祁国成 (1．航天材料及工艺研究所先进功能复合材料技术重点实验室，北京 100076； 2．北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191) 摘要：首先建立了单向复合材料代表性体积单元(RVE)载荷传递的三维有限元模型，阐述 了载荷传递系数和载荷传递无 效长度的计算方法。其次，基于单丝拉伸强度Weibul1分布，引入Monte—Carlo概率随机数，建立了渐进损伤分析和强度预报的 解析模型。再次，测量 了东丽T700S和 T800H以及 国产 GCT700和 GCT800等四种碳纤维单丝拉伸强度，并通过拟合得到 W。ib11函数．作为力学模型输入；为验证模型有效性，用热压罐成型工艺制造了与碳纤维分别对应的四种单向复合材料，并测 量其纵向拉伸强度。最后，模拟了单向复合材料纵向拉伸渐进损伤过程，并对四种碳纤维增强复合材料强度的预报值和实验 值进行了对比分析，表明该多尺度力学模型能较为准确地预报单向复合材料损伤过程和拉伸强度。 关键词：碳纤维；强度；应力传递；有限元分析；数值分析；力学测试 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号 ：1003—0999(2015)06—0005—07 1 引 言 力，但纵 向拉伸应力会在沿纤维长轴方 向上逐渐恢 碳纤维增强树脂基复合材料由于其优越的力学 复至远场对应应力值。同时附近完整纤维在断口对 性能而广泛应用于航空航天领域 ¨；复合材料的强 应的截面产生纵向拉伸应力集中现象，此应力沿纤 度问题一直是学者们研究的热点[2-4]。从材料细观 维纵向逐渐降低至远场应力值。此过程即为单根纤 尺度揭示复合材料的破坏机理，进而预报宏观强度 维断裂后的载荷传递过程。在不断提高的外载荷及 性能，是工程和学术界追求的目标 。要建立能够 断裂纤维造成的应力集中的作用下，若完整纤维应 预报复合材料纵向拉伸强度的模型，必须考虑到如 力值超过其强度，完整纤维发生断裂；此断裂会进一 下两个因素：①纤维强度分散性，即在外载荷作用 步影响周围其他完整纤维的载荷传递和应力分布， 下 ，较弱的纤维将首先发生破坏；②复合材料损伤过 造成进一步的纤维断裂，最终形成复合材料的渐进 程中的载荷传递特性，即复合材料内部纤维断裂后， 损伤过程。 其 内部应力场将传递和再分配 J。 对于载荷传递机制问题，一般可根据复合材料 基于此，在分析单向复合材料承受纵向载荷问 微观尺度的对称性、周期性的特点，建立适当的代表 题时，一般需要考虑两个尺度上的特征： 性体积单元 (RepresentativeVolumeElement，RVE) (1)在宏观尺度上，单向复合材料拉伸 以纤维 并对其进行载荷传递分析计算。常见分析模型可分 全部断裂不再承载为结束标志 。由于碳纤维单丝纵 为五类 ：基于应力传递分析的解析模型、纤维丝束模 向拉伸强度服从Weibul1分布，所以无法采用有限元 型及其衍生模型、基于断裂力学的模型、基于连续损 法方法建立含有大量纤维并具有离散性能的模型。 伤力学的模型以及连续力学数值模型。如何正确表 因此 ，研究者大多利用 Monte—Carlo模型完成大量的 征纤维及树脂的载荷传递和再分配问题是上述模型 纤维强度分布，进而模拟复合材料渐进损伤过程，最 进行损伤分析和强度预报的关键所在 J。 终确定复合材料的纵向拉伸强度 ； 应力传递分析是判断损伤和失效的关键性步 (2)在微观尺度上，单 向复合