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用纤维增强复合材料制成的各种结构物,例如船舶、运输槽、输液管道、压力容器等等,是不允许出现穿透性裂缝(割口)的。但是在复合材料的制作和使用过程中,不可避免地会出现诸如断纤维、表面划痕(割口)等形式的缺陷,而这些结构仍有其继续使用的价值。因此,利用细观力学模型研究含割口及表面割口复合材料结构的断裂行为、破坏机理及安全可靠性评价等,对复合材料的结构设计和安全使用具有重要的意义。
本文基于剪滞理论,建立一种对各单层分划为有限子单元的剪滞分析模型,分析了中心和边缘割口及表面割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的拉伸破坏行为。本论文主要完成了以下工作:
1.为了揭示割口单向纤维增强复合材料叠层板的拉伸破坏机理,较准确地预估其残余强度,本文基于剪滞理论,提出一种对各单层分划为有限子单元的剪滞分析模型,分析了含割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布问题,获得了割口附近完整纤维的应力集中因子。在此基础上,采用细观统计破坏理论,研究了不同割口长度的单向叠层板的拉伸破坏强度,得到了与现有实验较接近的结果。本文方法和结果为进一步分析表面割口应力重分布及角叠层板的拉伸破坏问题提供了一种新的研究方法和途径。
2.进一步推广上述剪滞分析模型,分析了不同割口深度、割口长度的中心和边缘表面割口的单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布问题,获得了表面割口附近完整纤维的应力集中因子,揭示了表面割口单向叠层板的拉伸细观应力重新分布问题,并可预估其破坏规律。本文方法和结果为进一步分析表面割口单向叠层板的拉伸破坏机理及多表面割口单向叠层板的应力重分布提供了理论依据。
3.在上述研究工作的基础上,分析了含有三个平行的中心和边缘表面割口单向叠层板在拉伸载荷作用下的应力重新分布及割口之间的相互影响问题,获得了表面割口附近完整纤维的应力集中因子、应力及位移分布规律。结果表明:表面割口数的增加,可导致相应的应力集中增大;表面割口产生的应力扰动具有明显的局部化。本文方法和结果为进一步研究多个表面割口单向叠层复合材料的破坏机理提供了理论依据。