冲击载荷作用下复合材料层板层间短纤维增韧研究

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近年来,纤维增强复合材料在许多重要结构中得到了应用,比强度高、比刚度大和材料性能可设计的特点,使纤维增强复合材料成为最具有发展前途的新型结构材料之一。层合复合材料的层间性能低,严重的制约了该种材料的发展。分层是层合复合材料破坏的主要形式,如何提高层合复合材料的层间韧性和抗分层能力已经成为各国学者关注的焦点。因此,研究层合复合材料的层间增韧方式、增韧性机理及抗分层能力,具有重要的理论意义和应用价值。虽然对该问题进行了大量的研究,但是至今仍然没有十分满意的解决方法。实验表明层间加入适量的韧性短纤维,具有明显的层间增韧效果,但其增韧机理有待于进一步研究。本文通过理论分析和数值模拟研究了冲击载荷作用下短纤维的层间增韧机理,得到一些有意义的结果。 本文以复合材料力学及断裂力学为基本理论,对ANSYS软件进行了二次开发,编制了具有分析纤维增强复合材料层间性能的软件。 使用增广拉格朗日方法计算接触问题,在裂纹处增加了接触单元,用来模拟材料的不可穿透性。使用Newmark方法求解动力学平衡方程,在每个子步中对计算结果进行修正。 使用离散裂纹模型对裂纹进行建模,在裂纹处使用节点双编号的方法,采用节点分离法模拟裂纹的动态扩展。在计算过程中首先计算能量释放率,当能量释放率达极限值时,解除该节点的约束,并引入短纤维桥联力。采用一种双向弹簧单元模拟层间短纤维,通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,避免了复杂的迭代计算过程。 采用断裂力学的方法,研究了不同铺层形式下的能量释放率及应力分布,并与不存在层间短纤维的纤维增强复合材料进行了对比。结果表明,层间短纤维能够减小能量释放率曲线中的尖峰值,有效的提高的层间韧性。
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