CN109115629A - 一种层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法 - Google Patents

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朱国伟
贾玉玺
李宏岩
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Abstract

本发明将一种能反映无纺布层间增韧的物理模型，引入到纤维复合材料的破坏分析中，建立了预测无纺布层间增韧复合材料分层损伤产生与演化失效过程的计算方法。本发明通过对层间增韧复合材料I型破坏进行测试，获得增韧层材料的基本参数，建立反映增韧层真实厚度的复合材料分层破坏模型，采用有限元分析方法，低成本、高效率地分析无纺布层间增韧复合材料的损伤演化的规律，获得最佳增韧参数，为研究无纺布层间增韧机理提供支撑。

Description

一种层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法
技术领域
本发明涉及一种材料损伤与演化失效的计算方法：即采用强度理论来预测无纺布层间增韧层脱层损伤的产生，通过能量释放量准则预测界面处宏观脱层裂纹的扩展，适用于无纺布层间增韧复合材料制备过程中增韧层参数的计算和界面应力演化过程的展示。
背景技术
层间增韧技术能够大幅度提高复合材料的韧性，关键在于层间增韧材料的选择。目前，具有高孔隙率结构的无纺布作为层间增韧材料成为近些年研究的热点。由于复合材料的各向异性，通过实验手段对无纺布层间增韧复合材料进行全面系统地分析，面临着周期长和成本高的现实现状。J积分等解析方法局限于二维平面结构，不能计算复杂的三维层合板的能量释放率。现有的有限元模型无法有效表征无纺布增韧层的物理特性，尤其是无纺布厚度。因此，迫切需要建立一种能有效反映尼龙无纺布层间增韧的物理模型，开展无纺布层间增韧复合材料的破坏分析。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种有效表征无纺布增韧层厚度的内聚力模型，建立了无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法。
本发明提供的无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算方法，在较短时间内高效率地实现对不同尺寸、力学参数、本构关系的试件模拟试验，获取了增韧层的最佳厚度，具体计算方法如下：
(1)选取无纺布层间增韧复合材料试样，该试样由上、下层纤维复合材料和中间无纺布增韧层构成的三明治结构，用双悬臂梁弯曲试验测试无纺布层间增韧复合材料的力学性能；
(2)确定增韧层在受外力加载过程中刚度K的变化模式，K＝Kn(1-dn)，其中，Kn为材料完好时的刚度，即应力-位移曲线出现损伤前的斜率，dn为损伤变量；
(3)选取能够反映无纺布增韧层损伤演化过程的损伤变量方程，其中，为界面材料点完全失效(即dn＝1)时的单元节点的分离位移，为加载过程中的节点的界面分离位移，为损伤开始(即dn＝0)时的界面分离位移；
(4)构建能够反映无纺布增韧层厚度的本构方程：其中δ为分离位移，为名义应力，P为轴向载荷，A为该载荷下的初始截面面积，为界面刚度，tinterlayer为桁架长度，即界面材料的初始厚度，E为材料弹性模量，形成无纺布层间增韧复合材料分层损伤产生与扩展的力学模型；
(5)设置与HB7402-96标准相同的边界条件，ABAQUS主程序加载位移，采用有限元分析方法对无纺布层间增韧复合材料分层过程进行计算求解，得到模拟的复合材料损伤与演化数据；
(6)将模拟结果与标准试验结果对比，验证有限元模型的有效性；
(7)采用控制变量法，改变无纺布增韧层性能参数，得到无纺布层间增韧复合材料的分层损伤演化规律。
本发明的意义体现在以下几个方面：
(1)采用对无纺布层间增韧复合材料标准件的测试，获得增韧层的基本本构参数，通过标准试验测量结果与有限性分析结果对比，建立有效表征无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的有限元模型。与现有试验手段对比，能够快速获得分析结果，缩短了研制周期、降低了研发成本。
(2)在复合材料的层间区域采用有厚度的内聚力界面单元来表征宏观各向同性的尼龙无纺布增韧层，能够更加真实地反应复合材料结构的物理属性，与现有的内聚力模型相比，微观假设模型更加符合实际情况。
(3)通过提取不同时间、不同位置增韧层的应力分布情况，可以系统直观展示界面损伤与扩展情况，准确分析无纺布层间增韧复合材料在受力情况下的演化规律，为构建复合材料无纺布层间结构-层合板力学性能关系，制备高性能复合材料提供指导。
附图说明
图1无纺布层间增韧复合材料损伤与演化失效的计算流程图
图2双悬臂梁弯曲实验的有限元模型验证
图3双悬臂梁弯曲试验模型不同增韧层厚度下的载荷-位移曲线
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
根据图1，以尼龙无纺布层间增韧的碳纤维增强环氧树脂基复合材料体系为例，基体是3266环氧树脂，铺层为国产U3160单向无纬碳纤维织物，增韧材料是尼龙无纺布，面密度为20g/m2。该材料体系的最佳增韧层厚度计算步骤如下。
(1)制备尼龙无纺布层间增韧的碳纤维增强环氧树脂基复合材料标准试样。
(2)采用标准试验获得U3160-PNF/3266复合材料基本参数。
(3)采用双悬臂梁弯曲试验测试U3160-PNF/3266复合材料力学性能，具体参数如表1.
表1 U3160-PNF/3266复合材料性能参数
(4)采用ABAQUS软件，选取双线性本构模型反映尼龙无纺布增韧层性能，设置厚度为0.03mm的界面单元(COH3D8)来表征宏观各向同性的尼龙无纺布增韧层，界面上下采用实体单元(C3D8R)来表征正交各向异性的复合材料铺层结构。按照HB7402-96，设置长度L为180mm，宽度为25mm，上、下单层板厚度h各为2mm，初始裂纹长度为50mm，构建U3160-PNF/3266复合材料分层损伤产生与扩展的有限元模型。
(5)采用载荷增量的方法来求解非线性问题，设置与标准试验相同的边界条件。对于I型开裂，层合板承受面外拉力载荷，载荷方向为Y轴，在层合板铺有预设裂纹一端上边缘的节点(X＝0，Y＝4)上施加Y正方向为20mm的位移载荷(V＝20)；相应地，在下边缘的节点(X＝0，Y＝0)沿着X，Y，Z方向的自由度完全约束(U＝V＝W＝0)，来限制有限元模型在加载过程中的刚体移动。ABAQUS主程序加载位移，采用有限元分析方法对无纺布层间增韧复合材料分层过程进行计算求解。
(6)数值模拟得到的载荷-位移曲线与相应实验值的对比结果如图2所示，可以看出，有限元模拟结果和实验值基本一致。在刚开始加载的时候，内聚力界面单元处于弹性变形阶段，随着位移的增加，载荷线性增加。到达A点后，裂纹尖端的界面单元应力达到了界面强度，此后，随着加载位移的增加，裂纹尖端界面单元刚度开始下降。在A点之后，随着位移的进一步增加，裂纹尖端界面单元的应力开始下降，但是还具有一定的承载能力，对应的载荷虽然仍在增加，载荷增长幅度较A点之前变慢，呈现微弱的非线性行为。随着位移的进一步增加，到达峰值B点时，裂纹尖端界面单元的应力变为0MPa，失去了承载能力，载荷开始下降，裂纹向前扩展。实验结果的峰值载荷119.04N，而模拟结果的峰值载荷为120.81N，峰值载荷误差为1.49％。在BC阶段，随着位移的增加载荷逐渐下降，模拟结果和实验结果比较吻合，因此，本文采用的双线性内聚力界面单元可以很好地模拟尼龙无纺布层间增韧复合材料的I型分层行为。
(7)采用控制变量法，保持增韧层材料参数GIC＝0.6709N/mm，E＝2500MPa不变，考察了厚度范围为5μm-80μm的增韧层对CFRP发生I型分层的影响，见图3。可以看出，增韧层厚度对峰值载荷几乎没有影响，但是对于CFRP分层扩展过程有一定的影响。当增韧层厚度为5μm的时候，界面扩展阻力比较低。在此受限空间，增韧层的塑性变形过程只能部分发展，因此其对CFRP分层扩展阻力的贡献比较小；当增韧层从5μm不断增加到20μm时，层间塑性变形区域基本能够达到增韧层发生完整塑性变形所需要的分离位移，无纺布增韧层发生塑性变形不再受到层间空间的约束，出现在层间的任何地方，CFRP分层扩展阻力随之增加；但是，当增韧层厚度从20μm增加到25μm时，CFRP分层阻力反而下降。这是由于随着增韧层厚度的增加，其含量也随之增加，然而相比于复合材料铺层来说，层间增韧层的粘结力较弱，从而导致CFRP力学性能下降；当增韧层厚度增加到25μm以上时，增韧层的贡献相对较小，CFRP的力学响应主要由铺层抵抗弯曲变形来控制，因此，增韧层厚度的进一步增加对裂纹扩展几乎没有影响。
通过以上的比较可知，最优的增韧层厚度由增韧材料的塑性变形范围决定，在本文的材料体系中增韧层厚度大约为20μm时，复合材料性能最佳。
因此，本发明能够解决传统实验手段研究无纺布层间增韧复合材料周期长和成本高的问题，采用有厚度的界面模型有效表征无纺布增韧层的物理特性。对于新的无纺布层间增韧复合材料进行计算，快速给出较合适的增韧层厚度，为制备高性能复合材料提供指导。

Claims (1)

1.一种无纺布层间增韧复合材料损伤与扩展演化的计算方法，其特征在于步骤如下：
(1)选取无纺布层间增韧复合材料试样，该试样由上、下层纤维复合材料和中间无纺布增韧层构成的三明治结构，用双悬臂梁弯曲试验测试无纺布层间增韧复合材料的力学性能；
(2)确定增韧层在受外力加载过程中刚度K的变化模式，K＝Kn(1-dn)，其中，Kn为材料完好时的刚度，即应力-位移曲线出现损伤前的斜率，dn为损伤变量；
(3)选取能够反映无纺布增韧层损伤演化过程的损伤变量方程，其中，为界面材料点完全失效(即dn＝1)时的单元节点的分离位移，为加载过程中的节点的界面分离位移，为损伤开始(即dn＝0)时的界面分离位移；
(4)构建能够反映无纺布增韧层厚度的本构方程：其中δ为分离位移，为名义应力，P为轴向载荷，A为该载荷下的初始截面面积，为界面刚度，tinterlayer为桁架长度，即界面材料的初始厚度，E为材料弹性模量，形成无纺布层间增韧复合材料分层损伤产生与扩展的力学模型；
(5)设置与HB7402-96标准相同的边界条件，ABAQUS主程序加载位移，采用有限元分析方法对无纺布层间增韧复合材料分层过程进行计算求解，得到模拟的复合材料损伤与演化数据；
(6)将模拟结果与标准试验结果对比，验证有限元模型的有效性；
(7)采用控制变量法，改变无纺布增韧层性能参数，得到无纺布层间增韧复合材料的分层损伤演化规律。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105740566A (zh) * 2016-02-18 2016-07-06 浙江大学 一种预测层状复合材料层内损伤和层间分层的有限元方法
CN107688686A (zh) * 2017-07-07 2018-02-13 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种基于弹脆性损伤模式的层压板结构破坏模拟方法

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Non-Patent Citations (1)

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Title
朱国伟: "纤维复合材料的无纺布层间增韧分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *

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