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纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面脫層和基體裂紋的模擬分析

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-05-19  來(lái)源:shijieche.cn  瀏覽次數(shù):12

       基于Ghosh提出的Voronoi單元有限元方法,構(gòu)造能同時(shí)反映纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面脫層和基體裂紋擴(kuò)展的單元(X - VCFFM單元);應(yīng)用界面力學(xué)理淪和斷裂力學(xué)理論,建立界面脫層、界面裂紋擴(kuò)展方向和基體裂紋擴(kuò)展的判斷準(zhǔn)則;結(jié)合網(wǎng)格重劃分技術(shù),模擬分析了只含有一個(gè)夾雜時(shí)界面脫層和基體裂紋擴(kuò)展的過(guò)程,并通過(guò)與傳統(tǒng)有限元計(jì)算結(jié)果的比較,驗(yàn)證X- VCFEM單元的可靠性和有效性;同時(shí),模擬分析含任意隨機(jī)分布夾雜的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面脫層和基體裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程。結(jié)果表明:應(yīng)用該方法模擬復(fù)雜多相復(fù)合材料裂紋問(wèn)題具有計(jì)算速度快和精度高的優(yōu)越性。

       近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合材料在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域,如航空、汽車、軍事、核能和電子等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,正在逐步代替一些傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料之所以獲得廣泛的應(yīng)用,一方面得益于其許多優(yōu)良性能:(l)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可提高材料的剛度或比剛度的潛力;(2)增強(qiáng)體的加入,可以使以屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力為代表的強(qiáng)度指標(biāo)大大提高;(3)增強(qiáng)體的存在,可以阻礙位錯(cuò)滑移,從而改善抗蠕變性能。另一方面,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,纖維的加入在提高材料力學(xué)性能的同時(shí),也帶來(lái)了負(fù)面的影響:(l)夾雜的存在會(huì)降低材料的延展性、斷裂韌性,例如,短裂紋易于在平行于應(yīng)力方向的平面上促發(fā);(2)夾雜的存在也加速了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展,相應(yīng)地降低了疲勞壽命;(3)微結(jié)構(gòu)的存在還加速了孔隙的產(chǎn)生,從而降低材料的抗蠕變損傷的能力。造成以上這些不利后果的誘因是復(fù)合材料的界面脫層和基體裂紋的擴(kuò)展。這些不利因素都限制了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更廣泛的應(yīng)用,它與夾雜形狀、體積、數(shù)量、夾角和分布等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。進(jìn)一步了解夾雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料界面脫層和基體裂紋擴(kuò)展性能的影響規(guī)律,將對(duì)材料的制作工藝和工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

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