碳纤维增强树脂基复合材料属典型轻质高强材料,性能优越、应用广泛。如何提高其断裂强度,延长其使用寿命已成为研究人员不懈追求的目标,而层间应力对其力学性能有重要影响。为获得相关因素对碳纤维复合材料层合结构界面裂纹扩展的影响规律,采用数值模拟和试验相结合的方法对其断裂机理展开较为系统的研究。具体研究工作如下:1.考虑到材料的各向异性和界面的不连续性,依据扩展有限元法,把裂纹看成不连续几何体,以区间不连续函数作为插值函数一部分。结合内聚力理论,构造内聚力界面单元。在此基础上完成了碳纤维复合材料层合结构界面Ⅰ型裂纹扩展数值建模。利用界面单元模拟开裂过程,应用虚拟裂纹闭合技术进行断裂参数求解,采用临界能量释放率断裂准则实现了碳纤维复合材料层合结构界面裂纹扩展有限元分析。2.利用电子万能材料试验机对含初始裂纹的碳纤维复合材料层合结构试件进行拉伸试验,研究了不同几何尺寸和铺设角度下界面Ⅰ型裂纹扩展规律。准静态加载下Ⅰ型裂纹按线性扩展,并沿层间界面处转向弯折扩展。通过比较数值模拟结果,证明该数值模型符合裂纹实际扩展过程,验证了数值模型的正确性。3.基于该模型实现了对碳纤维复合材料层合结构界面裂纹扩展影响因素的定量研究。结果表明,随着碳纤维弹性模量增大,界面黏结力随之增大,能量释放率减小,裂纹逐渐不易扩展。可通过改变碳纤维与树脂的弹性模量比来缓裂。初始裂纹长度的增加使裂尖处应力集中程度增大,能量释放率显著增长,裂纹易于扩展。材料厚度和宽度对裂纹扩展的影响较大,宽度越小则裂纹越易扩展;由于结构内部剪应力作用,随着厚度增加,裂纹扩展先易后难;长度对裂纹扩展影响不明显。不同碳纤维铺设角度下正交铺设抗裂性能优于斜交铺设,铺设层数对裂纹扩展基本没有影响。4.所获结果为碳纤维复合材料层合结构断裂研究提供参考,利用其可设计性,依据相关因素的影响规律,可改进碳纤维复合材料层合结构设计,提高其断裂强度。