基體局部軟化對(duì)纖維復(fù)合材料力學(xué)行為影響的有限元分析.pdf

1、纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料因其優(yōu)良的力學(xué)性能，在近幾十年來已經(jīng)迅速發(fā)展為一類應(yīng)用于多種領(lǐng)域的常用工程材料。根據(jù)復(fù)合材料各組分的力學(xué)性能預(yù)測(cè)復(fù)合材料的整體力學(xué)性能是復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)基本問題。而纖維復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)正是以纖維、基體和界面等復(fù)合材料組分的特性以及纖維排列方式為研究對(duì)象，旨在建立復(fù)合材料的宏觀性能同其組分材料性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系、揭示不同材料組合具有不同宏觀性能的內(nèi)在機(jī)制。因此，開展纖維復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)破壞的研究具有

2、重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
　　 基體在復(fù)合材料破壞過程中起著重要作用，因?yàn)榛w力學(xué)性能的改變會(huì)直接影響載荷傳遞的方式進(jìn)而影響后續(xù)的臨近纖維上的應(yīng)力重新分布。在進(jìn)行復(fù)合材料的應(yīng)力集中乃至材料損傷的理論研究和數(shù)值分析時(shí)，基體性質(zhì)及其承載能力的數(shù)學(xué)描述的精確性，很大程度地決定了研究結(jié)果的可靠性。
　　 在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，本文通過有限元分析軟件ABAQUS，引入了一種能考慮應(yīng)變軟化行為的描述高

3、聚物粘塑性大變形的本構(gòu)模型，在考慮基體材料軟化效應(yīng)的情況下，研究了復(fù)合材料在拉伸破壞過程中的變形特征，分析了基體應(yīng)變軟化對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞、形變和斷裂模式帶來的影響，得到如下主要結(jié)論：
　　 (1)復(fù)合材料在受到拉伸載荷時(shí)，在已斷纖維斷點(diǎn)周圍的基體裂紋尖端散發(fā)出45度剪切帶，該變形特征的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好；剪切帶區(qū)域的材料發(fā)生了嚴(yán)重的犟性流動(dòng)，塑性應(yīng)變?cè)诩羟袔У男纬蛇^程中做出了主要貢獻(xiàn)；模擬結(jié)果為剪切帶的形成和發(fā)展機(jī)理

4、提供了一種可能的解釋?；w材料的內(nèi)在軟化特征是剪切帶激發(fā)、形成和發(fā)展的先決條件：基體材料在軟化之后的后續(xù)硬化特征是剪切帶的尖銳性得以保持的重要條件。
　　 (2)剪切帶前端抵達(dá)臨近纖維時(shí)，會(huì)導(dǎo)致纖維上該位置的劇烈的應(yīng)力集中，在臨近纖維的應(yīng)力分布曲線上帶來額外的兩個(gè)應(yīng)力高度集中區(qū)，進(jìn)而擴(kuò)大了臨近完好纖維上的應(yīng)力集中范圍。
　　 (3)基體軟化性質(zhì)很強(qiáng)時(shí)，應(yīng)力集中因子最大點(diǎn)的位置并不是與初始纖維斷點(diǎn)相對(duì)的位置，而是從纖維斷點(diǎn)

5、出發(fā)、與已斷纖維軸向成450角的位置，這在很大程度上增加了交錯(cuò)斷點(diǎn)產(chǎn)生的可能性。在拉伸變形過程中，軟化效應(yīng)越小的基體承載了越多的載荷；而軟化效應(yīng)越大的基體，則將已斷纖維釋放的載荷越多地傳遞到臨近完好纖維上。
　　 (4)在纖維間距很小的時(shí)候，軟化效應(yīng)越大的基體，由于基體承載能力下降越嚴(yán)重，其出現(xiàn)集束破壞的傾向越大：但是即使發(fā)生集束破壞，斷點(diǎn)也是交錯(cuò)產(chǎn)生的。隨著纖維間距的增大，基體的軟化效應(yīng)在一定程度上降低了協(xié)同破壞現(xiàn)象發(fā)生的門檻