含界面相復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分析

《含界面相復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、第31卷第2期CHINESEJOUR固N體AL力O學(xué)FS學(xué)OL報IDMECHANICSVo1．31No．22010年4月April2010含界面相復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分析張博明楊仲“孫新楊王曉宏(哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱，150001)摘要該文分析了含有界面相纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的空間分布．針對材料實際微結(jié)構(gòu)幾何特點，建立含有界面相的三維三相單絲模型，采用均勻和梯度函數(shù)描述界面相模量隨空間變化規(guī)律，由軸對稱體彈性力學(xué)理論得到單絲熱殘余應(yīng)力分布，再用場疊加方法得到密排六方結(jié)構(gòu)代表性體積元(RVE

2、)中纖維問相互影響的應(yīng)力場，同時應(yīng)用有限元法分析RVE中纖維間的殘余應(yīng)力分布，兩者結(jié)果基本一致．最后通過碳纖維單絲電阻法測出T300／環(huán)氧樹脂體系固化后的纖維軸向殘余應(yīng)力，實驗數(shù)據(jù)與解析和有限元分析結(jié)果基本吻合．關(guān)鍵詞界面相，殘余應(yīng)力，碳纖維電阻，有限元，復(fù)合材料體系上，用等效基體代替纖維之間的相互影響．而當(dāng)0引言纖維含量較高時，臨近纖維間的殘余應(yīng)力場相互疊加成一個偶合場；同時沒有針對一種復(fù)合材料材料界面是復(fù)合材料極為重要的微結(jié)構(gòu)，它作為增體系進(jìn)行理論與實驗測量的比較．強(qiáng)纖維與基體連接的“紐帶”，對復(fù)合材料的力學(xué)性

3、本文從解析、數(shù)值和實驗三個角度分析含有界能有著至關(guān)重要的影響．對于碳纖維／樹脂基復(fù)合材面的復(fù)合材料殘余應(yīng)力分布．解析角度上，應(yīng)用連續(xù)料(CFRP)，由于纖維、界面相和樹脂熱膨脹系數(shù)失介質(zhì)力學(xué)方法推出含有性能梯度界面相的三維單絲配會在形成殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力常導(dǎo)致材料超前的體系殘余應(yīng)力函數(shù)，再利用場疊加方法[1得到復(fù)合脫粘破壞或嚴(yán)重脆化．因此，準(zhǔn)確分析復(fù)合材料的熱材料臨近纖維之間的殘余應(yīng)力分布；數(shù)值角度上，建殘余應(yīng)力具有很重要的理論意義和工程應(yīng)用價立含界面相的代表性體積元有限元模型，將界面相值口_4】．Harris等L

4、5提出垂直于纖維方向的熱殘余應(yīng)沿厚度方向劃分多個單元模擬界面性能的梯度變力模型，并假設(shè)纖維被埋在具有復(fù)合材料宏觀屬性化，在對稱面上施加周期性邊界條件和溫度載荷，通的等效基體中，利用等效彈性模量方法得出接觸壓過數(shù)值計算得出殘余應(yīng)力場；實驗角度上，首次通過力與纖維組分之間的關(guān)系．之后很多學(xué)者在Harris測量固化過程中的碳纖維電阻變化間接得到纖維軸的基礎(chǔ)上提出含有界面相的三相橫端熱殘余應(yīng)力模向殘余應(yīng)力．研究結(jié)果表明：該理論得到了數(shù)值模擬型，Nairn等L6首先針對含有均勻界面相的復(fù)合材和實驗測量的驗證，為復(fù)合材料界面設(shè)

5、計提供一定料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行研究．Jayaraman等L7給出三種依據(jù)．含有性能梯度界面的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分布；Mitaka等給出四相模型(纖維、界面相、樹脂、等1理論模型效基體)．Kim和Mai等?！癩通過單絲三相模型建立界面相參數(shù)與纖維樹脂接觸壓力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)復(fù)合材料固化過程中由于化學(xué)和力學(xué)作用生成系．Huang等通過實驗測出到SiC／Ti-6Al一4V復(fù)的界面相屬性一般呈梯度分布，實際的分布規(guī)律比合材料的界面相厚度，并利用有限元方法給出界面較復(fù)雜，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和理論分析的方便，采用冪函厚度對復(fù)合材料殘余應(yīng)力

6、的影響．Kupke等列通過數(shù)形式描述界面模量的空間分布(式(1))，當(dāng)Q一0測量碳纖維電阻變化得到纖維的軸向應(yīng)變狀態(tài)，從時界面屬性均勻分布；Q≠0時為梯度分布，且在各而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測．這些模型都是建立在單絲相材料接觸處滿足式(2)所示的連續(xù)性條件：*200812—17收到第1稿，2009—09—16收到修改稿．**通訊作者．Tel：13946019802，Email：yangzhong@hit．edu．cn第2期張博明等：含界面相復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分析·143·E2(r)一Pr(1)E(---一-~e+eEI，

7、一，，一E，El一一E。(2)為了更好闡述力學(xué)模擬過程，將復(fù)合材料的固E(e(6)化過程分為三個階段：(1)高溫固化階段，材料發(fā)生化學(xué)變化．固化初期由于樹脂的流動性，纖維與樹脂E(問是應(yīng)力自由的；當(dāng)固化逐漸進(jìn)行，樹脂表現(xiàn)一定的其中P一￡+￡+￡．將式(5)代人式(6)后再代人式流動性和粘彈性特征直到完全變成固態(tài)彈性體，所(4)，得到各相中的位移控制方程。以固化結(jié)束并保持該溫度時，復(fù)合材料已具有一定纖維相和樹脂相：幅值較小的殘余應(yīng)力，本文忽略這部分由于化學(xué)變*十坼一“，r一—0u，’一o(L7)化引起的細(xì)觀殘余應(yīng)力；

8、(2)降溫階段，不考慮各相材料之間的尺寸限制，當(dāng)溫度降至室溫時，各相材料界面相：自由地產(chǎn)生溫度變形；(3)應(yīng)力協(xié)調(diào)階段，根據(jù)細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的尺寸配合，三相材料之間相互平衡后產(chǎn)f若(++)+一一。生應(yīng)力變形從而引起殘余應(yīng)力．I磐===o以階段(2)為參考構(gòu)型，建立含有界面相的三維三相單絲模型(圖1)，并選擇柱坐標(biāo)系(z為纖維方(8)向)．圖1各相之間存在一定量的