復(fù)合材料的分層缺陷

#c)圖4層間II型分層的擴(kuò)展模式：(a)裂紋尖端處微裂紋的形成；(b)微裂紋的生長及張開；(c)微裂紋的合并及剪切尖端的形成2準(zhǔn)靜態(tài)下分層行為預(yù)測方法分層力學(xué)由前蘇聯(lián)的固體物理學(xué)家 Obreimoff(1894-1981)最先著手研究，1930年，他在題名TheSplittingStrengthofMica”⑹的論文中詳細(xì)討論了層間斷裂韌性并研究了在剪切力作用下云母試樣的分層現(xiàn)象。 時(shí)至今日，分層的力學(xué)問題在吸引重多科研工作者興趣的同時(shí)，已取得了突出的成果，分層行為的預(yù)測方法發(fā)展成為強(qiáng)度理論方法、斷裂力學(xué)方法和損傷力學(xué)方法等三類。2.1強(qiáng)度理論方法強(qiáng)度理論方法是研究分層問題的傳統(tǒng)方法，是以結(jié)構(gòu)或材料抵抗損傷發(fā)生的能力為基礎(chǔ)，通過將材料內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與界面強(qiáng)度的大小進(jìn)行比較來判斷界面是否發(fā)生分層。該預(yù)測分層損傷的方法由Whitney等⑻首先提出；在進(jìn)一步應(yīng)用平均應(yīng)力準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，Kim等［11］對受拉、壓載荷作用下的層合板的分層產(chǎn)生時(shí)的臨界載荷值進(jìn)行了預(yù)測。但是由于不連續(xù)鋪層端部易出現(xiàn)應(yīng)力奇異，應(yīng)力準(zhǔn)則方法高度依賴網(wǎng)格尺寸；且由于平均應(yīng)力準(zhǔn)則或點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則都引入了特征長度的概念，而特征長度并沒有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，使該方法不能夠準(zhǔn)確地預(yù)測分層2.2線彈性斷裂力學(xué)方法斷裂力學(xué)方法通過計(jì)算裂紋尖端應(yīng)力場與裂紋尖端張開位移來評價(jià)界面的損傷狀態(tài)。在忽略材料非線性的前提下，可以采用線彈性斷裂力學(xué)方法（ LEFM）有效地預(yù)測分層擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，該方法的核心內(nèi)容為裂紋尖端能量釋放率的計(jì)算。計(jì)算應(yīng)變能釋放率的常用方法包括虛裂紋擴(kuò)展技術(shù)（VCCT）、J積分、虛裂紋擴(kuò)張和剛度微分方法等，通過比較應(yīng)變能釋放率分量的組合式與某臨界值間的關(guān)系，可以對分層的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。2.3損傷力學(xué)方法損傷力學(xué)方法是通過引入微缺陷/微裂紋的面積等形式的損傷變量來預(yù)測界面處分層狀態(tài)，相比斷裂力學(xué)方法，該方法不僅可以預(yù)測已存在裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，更重要的是，可以預(yù)測新裂紋的產(chǎn)生。以內(nèi)聚力理論為基礎(chǔ)，該方法考慮了復(fù)合材料基體與增強(qiáng)相間以化學(xué)反應(yīng)的形式生成的一層界面物質(zhì)層， 以界面參數(shù)的形式，充分地反映了界面物質(zhì)層的模量、強(qiáng)度和韌性等材料參數(shù)。內(nèi)聚力裂紋模型由Dugdale[1可和Barenblatt[1勺首次提出：材料在屈服應(yīng)力的作用下，會在裂紋前緣形成薄的塑性區(qū)域，在該區(qū)域范圍內(nèi)的裂紋表面有應(yīng)力作用，此作用力為“內(nèi)聚力”；而與之相對的裂紋表面不受任何應(yīng)力作用的區(qū)域?yàn)閿嗔褏^(qū)（如圖5所示）。圖5內(nèi)聚力模型雖然內(nèi)聚力模型屬于局部損傷模型[15]，對網(wǎng)格具有依賴性，但由于其支持網(wǎng)格間的相互獨(dú)立，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的充分細(xì)化，達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)算的目的。采用內(nèi)聚力模型方法可以同時(shí)預(yù)測分層的產(chǎn)生和擴(kuò)展，可以同時(shí)完成損傷容限和強(qiáng)度分析。參考文獻(xiàn)：王雪明,謝富原,李敏,王菲,張佐光.熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件分層缺陷影響因素分析.第十五屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議.2008N.J.Pagano,G.A.Schoeppner.Delaminationofpolymermatrixcomposites:problemsandassessment,(Ed.)AnonymousKelly,A.;Zweben,D.,Oxford(UK).2000T.E.Tay,F.Shen.Analysisofdelaminationgrowthinlaminatedcompositeswithconsiderationforresidualthermalstresseffects.JournalofCompositeMaterials.2002,36(11):1299~1320A.S.Crasto,R.Y.Kim.Hygrothermalinfluenceonthefree-edgedelaminationofcompositesundercompressiveloading,In:CompositeMaterials:FatigueandFracture6,(Ed.)AnonymousArmanios,E.A.,Philadelphia.1997:381~393V.V.Bolotin.Delaminationsincompositestructures:Itsorigin,buckling,growthandstability.CompositesPartB-Engineering.1996,27(2):29~145V.V.Bolotin.Mechanicsofdelaminationsinlaminatecompositestructures.MechanicsofCompositeMaterials.2001,37(5-6):367~380W.L.Bradley,C.R.Corleto,D.P.Goetz.Fracturephysicsofdelaminationofcompositematerials.AFOSR-TR-88-0020.1987N.Blanco.Variablemixed-modedelaminationincompositelaminatesunderfatigueconditions:testingandanalysis.PhDThesis,UniversityofGirona.2005I.W.Obreimoff.Thesplittingstrengthofmica.ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondonA.1930,127:290-297J.M.Whitney,R.J.Nuismer.StressFractureCriteriaforLaminatedCompositeContainingStressConcentrations.JournalofCompositeMaterials.1974,8:253-265R.Y.Kim,S.R.Soni.ExperimentalandAnalyticalStudiesontheOnsetofDelaminationinLaminatedComposites.JournalofCompositeMaterials.1984,18:70-80Z.Petrossian,M.R.Wisnom.Predictionofdelaminationinitiationandgrowthfromdiscontinuouspliesusinginterfaceelements.CompositesPartA.1998,29A:503-515D.S.Dugdale.Yieldingofsteelsheetscontainingslits.JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids.1960,8:100-104G.Barenblatt.Themathematicaltheoryofequilibriumcracksinbrittlefracture.AdvancesinAppliedMech