基体局部软化对纤维复合材料力学行为影响的有限元分析

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纤维增强聚合物基复合材料因其优良的力学性能,在近几十年来已经迅速发展为一类应用于多种领域的常用工程材料。根据复合材料各组分的力学性能预测复合材料的整体力学性能是复合材料力学领域的一个基本问题。而纤维复合材料细观力学正是以纤维、基体和界面等复合材料组分的特性以及纤维排列方式为研究对象,旨在建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系、揭示不同材料组合具有不同宏观性能的内在机制。因此,开展纤维复合材料细观力学破坏的研究具有重要的科学意义和工程价值。   基体在复合材料破坏过程中起着重要作用,因为基体力学性能的改变会直接影响载荷传递的方式进而影响后续的临近纤维上的应力重新分布。在进行复合材料的应力集中乃至材料损伤的理论研究和数值分析时,基体性质及其承载能力的数学描述的精确性,很大程度地决定了研究结果的可靠性。   在国家973计划项目和国家自然科学基金项目的资助下,本文通过有限元分析软件ABAQUS,引入了一种能考虑应变软化行为的描述高聚物粘塑性大变形的本构模型,在考虑基体材料软化效应的情况下,研究了复合材料在拉伸破坏过程中的变形特征,分析了基体应变软化对复合材料的应力传递、形变和断裂模式带来的影响,得到如下主要结论:   (1)复合材料在受到拉伸载荷时,在已断纤维断点周围的基体裂纹尖端散发出45度剪切带,该变形特征的模拟结果和实验现象吻合良好;剪切带区域的材料发生了严重的犟性流动,塑性应变在剪切带的形成过程中做出了主要贡献;模拟结果为剪切带的形成和发展机理提供了一种可能的解释。基体材料的内在软化特征是剪切带激发、形成和发展的先决条件:基体材料在软化之后的后续硬化特征是剪切带的尖锐性得以保持的重要条件。   (2)剪切带前端抵达临近纤维时,会导致纤维上该位置的剧烈的应力集中,在临近纤维的应力分布曲线上带来额外的两个应力高度集中区,进而扩大了临近完好纤维上的应力集中范围。   (3)基体软化性质很强时,应力集中因子最大点的位置并不是与初始纤维断点相对的位置,而是从纤维断点出发、与已断纤维轴向成450角的位置,这在很大程度上增加了交错断点产生的可能性。在拉伸变形过程中,软化效应越小的基体承载了越多的载荷;而软化效应越大的基体,则将已断纤维释放的载荷越多地传递到临近完好纤维上。   (4)在纤维间距很小的时候,软化效应越大的基体,由于基体承载能力下降越严重,其出现集束破坏的倾向越大:但是即使发生集束破坏,断点也是交错产生的。随着纤维间距的增大,基体的软化效应在一定程度上降低了协同破坏现象发生的门槛。软化效应越强的基体,其初始断点能在更远的轴向距离上启发临近纤维的后续断裂,而且更倾向于在450角方向上引发后续的纤维断裂。
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