内聚力模型在复合材料界面层中应用.docx

    内聚力模型在复合材料界面层中应用    耿胜彪 沙云东摘 要：加工制造复合材料时，界面最难控制且大多是最为薄弱的部分，在承受载荷时，界面层处也往往最先出现破坏，从而大大降低了复合材料的强度因此在进行复合材料细观模型分析时，界面层不能够被忽略界面的强度对整个单胞模型强度的影响非常大，本文通过纤维顶出法计算出复合材料界面层内聚力模型的本构参数，然后分别对代表体积元RVE模型在纵向拉伸载荷和横向拉伸载荷下做有限元计算，分析界面损伤和基体塑性变形的数值关系，结果表明，复合材料的纵向拉伸强度随界面强度增加而增加，但到一定程度后影响就变小了，代替的是基体拉伸强度起主要作用不论界面强度值增加到多大，所得到的复合材料的横向拉伸强度都永远低于基体的拉伸强度980Mpa，这充分的说明了复合材料的强度极限是由最最薄弱的部分决定的本文的研究结论可以为复合材料的制备提供理论参照关键词：内聚力模型;界面层;失效模式0 引言在对TiC/TC4复合材料应用内聚力模型进行细观力学模型计算之前，必须先确定界面层的cohesive本构关系内聚力本构模型的参数是由实验测得的，但大多数情况下，一些材料的基本力学性能参数是没有的，此时想要继续研究，就需要做一些理论推导与假设。

本文就是由纤维顶出法测得界面结合强度与界面反应厚度的关系式，然后经过一系列计算，就可以确定界面层内聚力模型本构的基本参数，进而展开后续的分析计算研究1 理论分析1.1 参数的计算采用纤维顶出法试验测得SiC/TC4复合材料的界面结合强度可以用下式表示：，其中是纤维与基体之间界面的剪切强度值，H是界面层的厚度经有限元计算分析，复合材料的界面结合强度与载荷大小的关系为，其中是加载时的最大载荷其中K是内聚力本构模型的刚度值，h是薄片试样的厚度，E是弹性模量，是应力，是应变，是位移这里假设界面的结合强度等于本构关系中的最大应力取H=1um，E=330Gpa，=6.2N，代入计算，可以求最大应力为102.5Mpa，试件的厚度为0.21mm，位移为0.065um，本构关系=0时对应的位移取0.2um，计算得到断裂韧性为10.25这里近似认为张开型断裂界面的材料属性与滑开型断裂相同得到内聚力本构关系曲线为：1.2 失效准则的选取破坏起始是指材料的刚度开始弱化有多种判定准则，例如最大应变准则、平方应变准则、最大应力准则、平方应力准则等具体用哪种准则由具体的材料特性而定 ，一般运用较多的是平方应力准则在下面的讨论中用平方应力准则。

2 模型的建立与计算分析2.1 模型的建立与参数选取2.2 有限元计算结果分析2.2.1 纵向拉伸载荷下的应力应变分析在纵向拉伸载荷下研究不同界面强度复合材料对应的强度极限，分别选用正常的界面强度，0.2和2倍界面强度进行有限元计算分析图中横轴表示应变，纵轴表示应力由应力应变曲线可知，随着界面强度的增大，复合材料的纵向拉伸强度并不会一直增大，当界面强度增大到某一数值之后，界面强度对复合材料强度的影响就不是那么明显了，这时起主要作用的是基体的拉伸强度材料刚度随着界面强度增加而增加，材料的非线性首先在弱界面时出现，原因是界面损伤导致材料的刚度降低同时界面的强度增强会导致复合材料呈现出一定的脆性，所以在实际的应用中，并不是界面的强度越大越好，应该根据实际的需要选择合适的界面强度2.2.2 不同界面强度下对应的损伤演化分析圖中横轴表示应变，纵轴表示损伤百分比从图4曲线可以看出，弱界面时，纵向拉伸渐进损伤过程为，界面首先在很小的应变时出现损伤，随着载荷的不断增加，界面损伤的百分比数值急速上升，界面的损伤范围和程度也随之快速加大当界面损伤到一定程度时，接着是基体开始出现屈服，随着载荷的不断增加，基体的塑性变形也不断增大。

界面的损伤百分比迅速达到1附近，然后基本维持此数值不变，而基体的塑性变形则是随着载荷的增加而缓慢的上升由图5可知，强界面时界面和基体的损伤曲线走势很相似，纵向拉伸渐进损伤过程为，基体首先在很小的应变时出现塑性变形，继续加载，界面也开始出现损伤，然后基体和界面损伤的百分比共同随着载荷的增加而增加，当应变达到0.02时，基体的塑性变形程度维持在1附近，不再随载荷的变化而变化，而基体的损伤程度则是在应变达到0.03之后，随着载荷的增加而缓慢的上升2.2.3 单胞模型在纵向拉伸载荷下的受力分析由上面云图6可知，在实际的界面强度下，对单胞模型进行受力计算分析，界面处对应的应力，应变，位移均是最大的，说明了对于TiC/TC4复合材料来说，界面处最为薄弱，在加载时，界面处肯定是最先破坏的同时界面的损伤云图可以看出，在纵向载荷下，界面的损伤并不是均匀分布的，说明即使是一个单胞，其内部的受力也是十分复杂的2.2.4 横向拉伸载荷下的应力应变分析在横向拉伸载荷下研究不同界面强度复合材料对应的强度极限，分别选用正常的界面强度，0.2倍和无限大界面强度进行有限元计算分析图中横轴表示应变，纵轴表示应力由应力应变曲线可知，弱界面时，复合材料的横向拉伸强度缓慢增加，在应力为96Mpa时取得最大值，然后缓慢减小;中强界面时，复合材料的横向拉伸强度增幅比较明显，在应力为460Mpa时取得最大值，然后以比较快的速度减小;强界面时，复合材料的横向拉伸强度迅速增加，在应力为920Mpa时取得最大值，然后迅速减小;同样当界面强度增大到某一数值之后，界面强度对复合材料强度的影响就不是那么明显了，这时起主要作用的是基体的拉伸强度。

同时还能比较直观的观察出，不论界面强度值增加到多大，哪怕是无限大，所得到的复合材料的横向拉伸强度都永远低于基体的拉伸强度980Mpa，这充分的说明了复合材料的强度极限是由最最薄弱的部分决定的纵向对比还可以发现，当基体的强度值固定不变时，界面的结合强度值对复合材料的横向拉伸强度影响很大3 结论（1）复合材料的纵向拉伸强度随界面强度增加而增加，但到一定程度后影响就变小了，此时基体的拉伸强度起主要作用2）弱界面时，界面的损伤百分比迅速达到1附近，然后基本维持此数值不变，而基体的塑性变形则是随着载荷的增加而缓慢的上升3）强界面时，当应变达到0.02时，基体的塑性变形程度维持在1附近，不再随载荷的变化而变化，而基体的损伤程度则是在应变达到0.03之后，随着载荷的增加而缓慢的上升4）不论界面强度值增加到多大，所得到的复合材料的横向拉伸强度都永远低于基体的拉伸强度980Mpa5）基体的强度值固定不变时，界面的结合强度值对复合材料的横向拉伸强度影响很大参考文献：[1]蔡杉，李占一，董妍，颜鸣皋等.SiC_Ti_153复合材料界面与性能研究[J].航空材料学报，2006，26（06）：55-59.[2]朱艳，杨延清，马志军，陈彦等.SiC_Ti基复合材料界面反应的热力学研究[J].稀有金属材料与工程，2002，31（04）：279-282.[3]沙云东，贾秋月，骆丽等.连续纤维增强金属基复合材料涡轮轴结构承扭特性分析[J].航空动力学报，2016，31（06）：1377-1384.[4]Baik，Kyeong Ho.Tensile failure behavior of SiC/Ti-6Al-4V composites manufactured by plasma spraying route[J].Materials Transactions，2006，47（11）：2815-2820.[5]Fukumoto，Shinji;Hirose，Akio;Kobayashi，Kojiro F，et al.Effective joint of continuous SiC/Ti-6Al-4V composites by diffusion bonding[J].Composites engineering，1995，5（08）：1081-1089.山东工业技术2019年3期山东工业技术的其它文章基于单片机火灾自动报警系统设计发电机密封油差压低原因分析及处理论电机在汽车中的应用具有可调性的自动补偿连续升降同步系统电力通信及其在智能电网中的应用初探浅议机械设计制造及其自动化的发展趋势  -全文完-。