带波纹/褶皱类缺陷的纤维增强树脂基复合材料压缩性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:liuhuayu0472
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纤维增强树脂基复合材料作为高性能复合材料的代表,具有比模量高、比强度大、耐腐蚀性能好等优点,广泛应用于风电、海洋工程、航空航天等高端领域。然而,在制造复合材料的过程中,由于材料本身原因或者外在环境因素,缺陷的出现无法避免。波纹/皱褶类缺陷是复合材料生产过程中一种极为常见的缺陷,这种缺陷的存在从微观上会改变纤维材料的几何形状,即发生纤维的错位,产生偏转角,导致材料的刚度和压缩强度显著减低,给材料的使用带来了很大的限制。  本文以单向复合材料为基础,选取均一波纹缺陷为代表,以定量、准确评估波纹缺陷给材料带来刚度和压缩强度损失为目的,采用有限元模拟方法,对单向复合材料均一波纹板的刚度和压缩强度进行预测,并进行了实验验证。  首先,本文以纤维呈直线排布的单向复合材料为研究对象,选用两种材料体系(AS4/3501-6、E-glass/8084),采用ANSYS有限元的分析工具,构造了含纤维和基体材料的代表性体积元(RVE),运用均匀化理论,计算了不同纤维排布方式下复合材料的各弹性常数,并与实验值对比,选取与实验值吻合的单胞模型进行下一步研究。通过改变纤维体积分数,探究体积分数对不同材料体系刚度的影响规律。  其次,选用六方排列作为纤维排布方式建立均一波纹单胞(UC)模型,建立合适的周期性边界条件,在一定的纤维体积分数下,采用同样的方法,对不同波纹比下均一波纹板的各个弹性常数进行数值模拟,对比波纹比对两种材料体系复合材料刚度的影响。同时,再次采用均匀化方法,将单胞模型分成数个子单胞,对子单胞进行应力平均,得出每个单胞的平均应力,用蔡吴宏观强度理论预测了均一波纹单向复合材料的压缩强度。  再次,建立纤维波纹的二维模型,利用纤维屈曲理论,以细观力学为基础,通过对比应力分析和屈曲分析中临界应力的最小值来确定其压缩强度,并确定了材料的失效模式。结果显示,在较低的波纹比下,单层板以失稳破坏为主;在较高的波纹比下,单层板以树脂剪切破坏为主。  最后,通过实验的方法构造了面外波纹模型,以面外波纹为代表来验证模拟结果。结果表明,纵向杨氏模量和主泊松比的实验结果与模拟结果差别较小,证明了采用有限元方法预测均一波纹单向复合材料刚度的合理性与准确性。纵向压缩强度在波纹比较大的情况下模拟值与实验值相近;在波纹比较小的情况下有限元预测的结果比试验值高得多。
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