复合材料的分层研究报告.docx

精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..复合材料的分层缺陷引言目前被广泛用于飞机承力构件的纤维增强树脂基复合材料〔 CFRP〕主要是层合板与层合构造； 在层合板的制造过程中， 常由于很多不确定的因素， 使复合材料构造发生分层、孔隙、气孔等等不同形式的缺陷；同时，复合材料层合板在 装配与服役过程中所受到低能冲击很简单引发各种形式的损耗； 由于增强纤维铺设方向的不一样常导致铺层间刚度的不匹配， 引发较高的层间应力， 而层间应力的主要传递介质是较弱的树脂基体， 因此对于复合材料层合板， 分层是其主要的损耗形式； 有报导统计， 复合材料层合板在加工、 装配和使用过程中产生的分层损耗，占缺陷件的 50%以上[1]；分层常存在于构造部， 无法依据外表状态检测出来， 并且分层的存在极降低了构造的刚度， 特殊在压缩载荷作用下， 由于发生局部屈曲而导致分层扩展， 使构造在低于其压缩强度时发生破坏； 在飞机研制与制造过程中， 复合材料层合板的分层损耗问题始终是难以解决的构造问题之一，也是影响 CFRP 在构造组分中应用的主要限制因素； 因此，如何充分地结合试验测试， 利用数值模拟的方法评估分层的许和容限，成为打算飞机构造综合性能的亟待解决的关键问题；1.1 分层产生的缘由Pagano 和 Schoeppner[2] 依据复合材料构件的外形，将分层产生的缘由分为两类；第一类为曲率构件，工程中常见的曲率构件包括扇形体、管状构造、圆柱 形构造、球形构造和压力容器等； 其次类为变厚度截面， 工程中常见于薄层板与补强件连接区域、自由边界处、粘合连接处及螺栓接合处等；在上述构造件中，. .word.zl.第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..接近的两铺层极易在法向和剪切向应力作用下发生脱胶和形成层间裂纹；以外，温湿效应、 层板制备和服役状态等亦是分层产生的缘由； 由于纤维与树脂的热膨胀系数以及吸湿率均存在差异， 因此，不同铺层易在固化过程产生不同程度的收缩并在吸取湿气后产生不同程度的膨胀， 不同程度的收缩与膨胀所产生的剩余压力是导致分层的源头之一 [3， 4] ；在层合板的制备过程中，由于手工 铺设质量具有分散性， 极易形成富树脂区， 进而引发树脂固化时铺层间的收缩程度差异， 使层间具有较低的力学特性， 极易形成分层 [5， 6] ；在服役过程中，低速冲击所产生的横向集中力是层合板构造形成分层的重要缘由之一； 冲击引发的接近铺层间的部损耗、 层合板制造过程中工具的掉落、 复合材料部件的组装及修理以及军用飞机及构造的弹道冲击等均会引发层间分层；1.2 分层的种类Bolotin [5 ， 6] 将 分 层 分为 局 部 层 〔 Internal delaminations〕 和 浅 表 分 层〔Near-surface delamination〕s 两类；其中，局部层源自层合板的部铺层，由于树脂裂纹和铺层界面间相互作用而形成， 它的存在会降低构造件的承载才能； 特殊是在压缩载荷作用下，层合板的弯曲行为受到严峻影响〔如图 1〕；虽然分层将层合板分为两个局部， 但是由于两个子层板变形间的相互作用， 层合板出现相像的偏转状态，发生整体屈曲；. .word.zl.第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..图 1 局部层及对构造稳固性的影响浅表分层产生于层合板接近外表的浅层位置， 出现出比局部层更为复杂的分层行为；分层区域的变形受到厚子板的影响相对更小， 浅表处的分层局部并不肯定受较厚的子板的牵制而变形， 因此对于浅表分层， 不仅需要考虑浅表分层的扩展，仍需要考虑分层子板的局部稳固性； 依据载荷形式及分层状态可将浅表分层分为如图 2 所示的种类；图 2 浅表分层的种类在分层产生后， 局部层和浅表分层在静承载和疲惫载荷作用下可能发生分层. .word.zl.第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..扩展，层合板的强度和稳固性明显下降； 确定分层缺陷的形式对复合材料构造的完整性是非常层重要的；1.3 分层的微观构造在微观尺度下， 层间裂纹扩展后将在裂纹前缘形成损耗区域； 依据树脂的韧性和应力水平〔 I 型， II 型， III 型和混合型，如图 3 所示〕，损耗区域的尺寸和外形出现不同的状态；剪切载荷下裂纹尖端应力场的衰减较缓慢，因此 II 型和 III 型裂纹尖端的损耗区域比 I 型区域广；此外，受树脂基体的影响，脆性 与韧性树脂基体的损耗状态具有明显的区分；在脆性树脂体系下， I 型裂纹尖端的损耗区域会发生微裂纹的合并和生长以 及纤维—树脂间的脱胶现象， 上述现象都会诱发裂纹前进， 其中， 脱胶行为的发生常相伴着纤维桥接和纤维断裂现象的发生；而对于剪切模式的 II 型和 III 型分层，裂纹前缘处的微裂纹发生合并的现象，并与铺层角度呈 45方向扩展，直至到达富树脂区域； 界面处微裂纹的合并在纤维间的树脂区域出现锯齿状， 如图 4 所示；而对于韧性材料体系，裂纹前缘的塑性变形推动裂纹扩展，出现出韧性断裂并相伴层间脱层现象的发生 [7]；图 3 I 型、II 型和 III 型裂纹拓展模式. .word.zl.第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..图 4 层间 II 型分层的扩展模式： 〔a〕裂纹尖端处微裂纹的形成； 〔b〕微裂纹的生长及开；〔c〕微裂纹的合并及剪切尖端的形成2 准静态下分层行为猜测方法分层力学由前联的固体物理学家 Obreimoff (1894-1981最) 先着手争论， 1930年，他在题名“ The Splitting Strength of Mica〞[8]的论文中具体争论了层连续裂韧性并争论了在剪切力作用下云母试样的分层现象； 时至今日， 分层的力学问题在吸引重多科研工作者爱好的同时， 已取得了突出的成果， 分层行为的猜测方法开展成为强度理论方法、断裂力学方法和损耗力学方法等三类；2.1 强度理论方法强度理论方法是争论分层问题的传统方法， 是以构造或材料抗击损耗发生的才能为根底，通过将材料部的节点应力与界面强度的大小进展比拟来判定界面是 否发生分层；该猜测分层损耗的方法由 Whitney 等[9] 第一提出；在进一步应用平均应力准那么的根底上， Kim 等 [11] 对受拉、压载荷作用下的层合板的分层产生 时的临界载荷值进展了猜测； 但是由于不连续铺层端部易显现应力奇特， 应力准那么方法高度依靠网格尺寸； 且由于平均应力准那么或点应力准那么都引入了特点长度的概念， 而特点长度并没有很强的理论根底， 使该方法不能够精确地猜测分层扩展行为 [12]；. .word.zl.第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..2.2 线弹性断裂力学方法断裂力学方法通过运算裂纹尖端应力场与裂纹尖端开位移来评判界面的损伤状态；在忽视材料非线性的前提下，可以采纳线弹性断裂力学方法〔 LEFM 〕有效地猜测分层扩展状态， 该方法的核心容为裂纹尖端能量释放率的运算； 运算应变能释放率的常用方法包括虚裂纹扩展技术〔 VCCT〕、J 积分、虚裂纹扩和刚度微分方法等， 通过比拟应变能释放率重量的组合式与某临界值间的关系， 可以对分层的状态进展猜测；2.3 损耗力学方法损耗力学方法是通过引入微缺陷 / 微裂纹的面积等形式的损耗变量来猜测界面处分层状态， 相比断裂力学方法， 该方法不仅可以猜测已存在裂纹的扩展状态，更重要的是，可以猜测新裂纹的产生；以聚力理论为根底，该方法考虑了复 合材料基体与增强相间以化学反响的形式生成的一层界面物质层， 以界面参数的形式，充分地反映了界面物质层的模量、强度和韧性等材料参数；聚力裂纹模型由 Dugdale[13]和 Barenblatt [14]首次提出：材料在屈服应力的作用下，会在裂纹前缘形成薄的塑性区域， 在该区域围的裂纹外表有应力作用， 此作用力为“聚力〞；而与之相对的裂纹外表不受任何应力作用的区域为断裂区 〔如图 5 所示〕；图 5 聚力模型. .word.zl.第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -..虽然聚力模型属于局部损耗模型 [15]，对网格具有依靠性， 但由于其支持网格间的相互独立， 因此可以便利地实现网格的充分细化， 到达精确运算的目的； 采纳聚力模型方法可以同时猜测分层的产生和扩展， 可以同时完成损耗容限和强度分析；. .word.zl.第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - - -。