纖維增強型複合材料中拼接結構力學性能的多尺度分析

《纖維增強型複合材料中拼接結構力學性能的多尺度分析》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由陳丁丁擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：纖維增強型複合材料中拼接結構力學性能的多尺度分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳丁丁
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

由於纖維增強複合材料（FRP）具有高強度、低密度等優良特性，目前已越來越廣泛地套用到生產生活的各個方面，並且複合材料結構越來越大型化。當複合材料結構的尺寸越來越大的時候，就不得不面對增強體材料寬度甚至是長度不夠而需要採取鋪層拼接來滿足構件尺寸的情況。拼接結構的引入必然會對構件的力學性能產生影響。本項目將對單向碳纖維增強樹脂基複合材料（CFRP）中的拼接結構在拉伸和彎曲作用下的力學性能展開研究。從微觀、細觀和巨觀三個層面分析拼接結構力學性能的影響因素。將採用數字圖像相關技術（DIC）對結構受力過程中的應變分布情況進行測量，並採用聲發射探測技術(AE)對材料損傷過程進行監測,結合數值模擬研究從結構細觀以及巨觀受力情況分析結構在各因素影響下的載荷傳遞及損傷演化機理，基於實驗和數值模擬結果構建強度模型，為拼接結構的設計、性能計算與評估提供研究基礎和技術支撐。

結題摘要

由於纖維增強複合材料（FRP）具有高強度、低密度等優良特性，目前已越來越廣泛地套用到生產生活的各個方面，並且複合材料結構越來越大型化。當複合材料結構的尺寸越來越大的時候，就不得不面對增強體材料寬度甚至是長度不夠而需要採取鋪層拼接來滿足構件尺寸的情況。拼接結構的引入必然會對構件的力學性能產生影響。本項目對單向碳纖維增強樹脂基複合材料（CFRP）中的拼接結構在拉伸和彎曲作用下的力學性能以實驗為主要手段展開了研究。測試技術方面，成功利用數字圖像相關技術（DIC）對狹長區域（寬度僅為2.2mm）的應變分布情況進行了測量；選取了合理的判據，利用聲發射探測技術(AE)對材料損傷過程中的破壞模式進行了較為準確的識別。利用ABAQUS軟體，通過數值模擬研究了載荷傳遞及損傷演化機理。拼接結構的力學性能方面，當鄰層的拼接出現在同一位置時（其他層無拼接），拉伸載荷作用下拼接引起的應力集中導致鋪層拼接處發生破壞，繼而導致拼接鋪層與連續鋪層間發生層間剪下破壞；連續鋪層在拼接導致的應力集中的影響下未發生破壞；發生層間破壞後，拉伸載荷完全由連續鋪層承載，最終承載能力近似於連續鋪層總的承載能力。拼接出現在層合板中間位置時，對材料的彎曲性能沒有顯著影響。當存在兩個拼接位置並處於上下位置時，拉伸載荷作用下兩個拼接位置引起的應力集中會產生耦合作用，使得在拉伸過程中部分連續鋪層發生破壞，導致最終強度低於拼接出現在同一位置的情況。拼接越靠近層合板的表面鋪層，對彎曲性能的影響越大。考慮真實的拼接情況，實驗結果表明拼接結構的引入的確大大降低了CFRP材料的拉伸強度；結構破壞從拼接位置開始，拼接位置處的應力集中現象是導致材料強度減弱的關鍵因素，結構最終破壞模式為層間破壞；拼接結構導致的結構不對稱性加劇了拼接位置的層間剪下和側向拉伸，嚴重影響結構強度。因此，工程套用中設計鋪層拼接時應儘量根據受力特點將拼接結構設計成對稱結構，同時儘量降低拼接處的應力集中程度。