浅谈应用界面层法的复合材料分层研究论文

时间:2020-06-29 14:09:36 材料毕业论文 我要投稿

浅谈应用界面层法的复合材料分层研究论文

  0 引言

浅谈应用界面层法的复合材料分层研究论文

  复合材料作为一种新型材料,以其比强度高、比模量高、可设计型强等优点得到了越来越广泛的应用,尤其是在航天航空领域。复合材料的结构和工艺特性决定了其各向异性、脆性高和层间性能低等缺点,因此,对复合材料的损伤失效进行研究显得尤为重要。根据统计资料显示,在各种损伤破坏中,分层失效约占60%,成为了复合材料最主要的损伤形式。早期的分层研究主要基于应力应变准则,机理简单且不能与其他损伤形式独立开来。随着近代线弹性断裂力学的发展,研究者发现复合材料的分层类似于裂纹的出现与扩展,Hillerborg等人最先提出了界面层理论和单元,推动了复合材料分层研究的快速发展。本文采用界面层法,建立了含有界面层单元的有限元模型,结合理论计算验证了模型的响应,研究了不同铺角下的复合材料分层情况。

  1 界面层法及计算模型

  1.1 界面层法

  实验和理论研究表明,复合材料只在不同铺角的子层间发生分层,界面层法就是在铺角发生改变的子层间预置一层很薄的界面层,将分层限制在界面层中出现并扩展。建立的复合材料层合板研究模型,其数值模拟结果与实验结果保持了很高的一致性。界面层很薄,通常是零厚度的,所以很难通过实验测定它的材料参数和性能。研究人员根据实验数据与理论分析,提出了界面层的多种应力应变曲线,其中被广泛采用的一种为Traction—Separation曲线。在受力初始阶段,界面层的响应为线弹性,当应力达到界面层强度后界面层开始发生损伤,随后进入软化阶段,直至达到最大分离位移完全失效。整个响应曲线覆盖的`面积为界面层的临界应变能释放率G。其中对界面层响应影响最突出的两个参数为强度与临界能量释放率G。

  1.2 模型及验证

  1.2.1 几何模型及材料参数

  本文采用拉力分层下的双悬臂梁模型(DCB),其中a=30mm为初始分层长度,层合板铺层方式为[0]20,上下子层各为10层,子层厚度h=1.5mm,上下子层间添加界面层。层合板材料为HTA6376/C,单层板及界面层参数如表1所示。

  1.2.2 有限元模型及验证

  用界面层进行复合材料结构分层的数值模拟时需要解决的关键问题有两点:界面层性能参数及合适的网格密度。网格过疏时,不能准确的反应出界面层单元处于弹性阶还是软化阶段,而且当单元失效后会造成局部应力变化较大,造成结果不能收敛;网格过密又会造成计算成本的大幅上升。根据已有的文献并结合计算时间,确定优化后的有限元模型。在分层最初出现和扩展的区域细化了网格,在X=L处初施加全约束边界条件,在X=0处施加U=1.3mm的位移边界条件。

  其中复合材料层合板采用缩减积分算法的壳单元S4R,界面层单元为COH3D8,求解器为ABAQUS/Standard。界面层单元的初始损伤及扩展准则如下公式:初始损伤判定:分别为界面层单元在法向和两切向的应力,t0n、t0s、t0t为相应的界面层单元强度。损伤扩展准则(B—K准则):s t G G G S = + (2)n S G G G T = +其中Gn、Gs、Gt为界面层单元的应变能释放率,Gcn、Gcs、Gct为相应的临界应变能释放率。为材料系数,参照文献本文取值为1.75。

  求解后分层出现及扩展的结果,拉力-位移响应曲线及理论对比。SDEG为界面层单元的损伤变量系数,其值达到0.99~1时为完全失效,界面层单元完全失效后即被删除,不再参与后续计算。左图为分层刚开始的情况对应图6中拉力峰值时刻,右图为计算结束时分层的扩展情况。理论验证采用修正后的梁理论:梁的单侧挠度公式:其中h为几何模型中的层合板厚度,÷为修正系数,其值为:

  2 不同铺角下的复合材料层合板分层研究

  上文模型中层合板的铺层方式为[0]20,现将上10层子层铺角分别改为15°、30°、45°、60°、75°、90°,以x轴向逆时针方向旋转为正,来研究不同铺角下的初始分层及分层扩展情况。峰值拉力变化如图7所示,不同铺角下的初始分层及最终扩展情况。

  铺角越小,分层所需拉力越大,表明层间性能越好。峰值拉力在铺角为0°~45°之间时变化较快,切呈现出一定的线性规律,铺角为45°~90°时峰值拉力变化并不明显。所以,当复合材料子层间铺角越小时,其层间性能对铺角的改变越敏感,随着铺角的增大快速降低。分层是沿着铺角的正交方向扩展的,因为复合材料在材料主轴正交方向处等效弹性模量最小,这与已有的理论是相符的。在同等位移下,铺角越小,分层最终的扩展越明显,这是因为,本文采用的是以位移作为边界条件求解,铺角越小时拉力越大,相同位移情况下所做功也就越多,从而被界面层吸收的功也就越多,分层扩展也就越明显。

  3 结论

  本文探讨了界面层法在复合材料分层研究中的特性及应用时需要注意的问题。验证了采用界面层单元的DCB模型在张开型开裂下的响应。探究了不同铺角下的复合材料结构的层间性能及变化,得出了以下结论:

  1)界面层单元不同与其他类型单元,其受力后响应分为线弹性阶段、软化阶段及失效阶段,准确的反应单元所处阶段需要严格的网格尺寸。

  2)复合材料分层沿着铺角的正交方向扩展,铺角越大,层间性能越差。

  3)复合材料子层间铺角越小时,其层间性能对铺角的改变越敏感。在铺角为0°~45°时,层间性能随铺角的增大快速降低且呈现一定的线性规律,在铺角为45°~90°时,层间性能较低且变化不大。

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