復合材料的分層缺陷

#c)圖4層間II型分層的擴展模式：(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準靜態(tài)下分層行為預測方法分層力學由前蘇聯(lián)的固體物理學家 Obreimoff(1894-1981)最先著手研究，1930年，他在題名TheSplittingStrengthofMica”⑹的論文中詳細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。 時至今日，分層的力學問題在吸引重多科研工作者興趣的同時，已取得了突出的成果，分層行為的預測方法發(fā)展成為強度理論方法、斷裂力學方法和損傷力學方法等三類。2.1強度理論方法強度理論方法是研究分層問題的傳統(tǒng)方法，是以結構或材料抵抗損傷發(fā)生的能力為基礎，通過將材料內(nèi)部的節(jié)點應力與界面強度的大小進行比較來判斷界面是否發(fā)生分層。該預測分層損傷的方法由Whitney等⑻首先提出；在進一步應用平均應力準則的基礎上，Kim等［11］對受拉、壓載荷作用下的層合板的分層產(chǎn)生時的臨界載荷值進行了預測。但是由于不連續(xù)鋪層端部易出現(xiàn)應力奇異，應力準則方法高度依賴網(wǎng)格尺寸；且由于平均應力準則或點應力準則都引入了特征長度的概念，而特征長度并沒有很強的理論基礎，使該方法不能夠準確地預測分層2.2線彈性斷裂力學方法斷裂力學方法通過計算裂紋尖端應力場與裂紋尖端張開位移來評價界面的損傷狀態(tài)。在忽略材料非線性的前提下，可以采用線彈性斷裂力學方法（ LEFM）有效地預測分層擴展狀態(tài)，該方法的核心內(nèi)容為裂紋尖端能量釋放率的計算。計算應變能釋放率的常用方法包括虛裂紋擴展技術（VCCT）、J積分、虛裂紋擴張和剛度微分方法等，通過比較應變能釋放率分量的組合式與某臨界值間的關系，可以對分層的狀態(tài)進行預測。2.3損傷力學方法損傷力學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測界面處分層狀態(tài)，相比斷裂力學方法，該方法不僅可以預測已存在裂紋的擴展狀態(tài)，更重要的是，可以預測新裂紋的產(chǎn)生。以內(nèi)聚力理論為基礎，該方法考慮了復合材料基體與增強相間以化學反應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力作用的區(qū)域為斷裂區(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)格間的相互獨立，因此可以方便地實現(xiàn)網(wǎng)格的充分細化，達到準確計算的目的。采用內(nèi)聚力模型方法可以同時預測分層的產(chǎn)生和擴展，可以同時完成損傷容限和強度分析。參考文獻：王雪明,謝富原,李敏,王菲,張佐光.熱壓罐成型復合材料構件分層缺陷影響因素分析.第十五屆全國復合材料學術會議.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