考慮界面相的單向復合材料力學性能預報研究.pdf

1、國內圖書分類號：TB12學校代碼：10213國際圖書分類號：621密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文考慮界面相的單向復合材料力學性能預報研究博士研究生：楊仲導師：張博明教授申請學位：工學博士學科：工程力學所在單位：復合材料與結構研究所答辯日期：2010年8月29日授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I0B摘要碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)由于其諸多卓越的力學性能在工程領域得到廣泛應用。復合材料的宏觀性能是由其特殊的細觀結構決定

2、的，為了更加充分地發(fā)揮其力學潛能，需要深入了解其宏觀現象的細觀本質。隨著實驗技術的發(fā)展，人們對復合材料界面相的認識逐漸深入，從改變界面相性能角度優(yōu)化復合材料是目前的一個研究熱點。在這樣的背景下，建立含有界面相的單向復合材料力學性能預報具有重要的工程和學術意義。為了在理論上清晰描述本論文的研究思路，將復合材料整體上等效為一個黑匣子，其細觀和宏觀參數分別作為黑匣子的輸入和輸出部分，性能預報研究的主要任務就是揭開黑匣子的秘密，建立該輸入輸出之

3、間的定量關系，為復合材料的優(yōu)化設計、性能評價提供理論指導。本文針對單向CFRP，在考慮界面相的前提下，從剛度性能、熱彈性性能、強度性能三個角度建立一套基于細觀力學的性能預報方法，在預報宏觀性能的同時揭示細觀彈性應力狀態(tài)直至損傷和破壞過程機理。本文所建立的性能預報模型在考慮纖維和基體等組分的同時，充分考慮了界面相的力學性能，并詳細分析了界面相參數的影響規(guī)律。綜合來講，本文主要研究內容如下：1剛度性能預報：本文通過解析法和有限元法預報單向C

4、FRP的五個獨立彈性常數。解析法是基于Eshelby等效夾雜原理，應用MiTanaka方法進行兩步等效，第一步將界面相和碳纖維等效為新的等效纖維，第二步將上一步得到的等效纖維與樹脂基體進行等效得出整體剛度性能，從而預報出復合材料宏觀剛度矩陣。有限元法將復合材料簡化為一個代表性體積元(RVE)，附上組分材料屬性并施加周期性邊界條件，施加各個方向載荷并經過線彈性分析得出剛度矩陣中的五個獨立參數。這兩種方法的預報結果得到宏觀實驗數據的對比驗證

5、，在此基礎上應用MiTanaka方法分析了界面相參數的影響規(guī)律。2熱彈性性能預報：熱彈性性能預報主要包括熱殘余應力分析和宏觀等效熱膨脹系數(CTE)預報，后者依賴于前者準確的細觀力學分析模型。針對由于細觀組分材料的CTE不匹配引起的熱殘余應力，將復合材料簡化為含有纖維、界面相、基體的軸對稱圓柱體，建立彈性力學基本方程并結合邊界條件得到殘余應力場，其結果與有限元數值結果幾乎完全一致。在此基礎上，提出增量法用以分析樹脂性能隨溫度變化的特點，