复合材料宏微观内聚力区模型实验研究
发布时间：2021-04-19 18:47
植物短纤维增强复合材料具有质轻、环保和可循环利用等优点,因此广泛应用于汽车、高铁列车和民用飞机等领域,随机短云杉纤维增强聚丙烯复合材料（云杉/PP）在上述领域具有潜在应用价值。基于内聚力区模型（CZM）,本文用实验与数值混合方法研究了云杉/PP复合材料的宏观断裂行为力学参数。作为对比材料,还测定了编织玻璃纤维增强聚胺酯复合材料（玻璃纤维/PU）的宏观内聚力区模型的牵引-分离关系。本文采用内聚力区模型描述云杉/PP和玻璃纤维/PU复合材料的宏观I型断裂力学行为。通过紧凑拉伸断裂力学实验,利用数字图像相关方法（DIC）得到不同载荷和裂纹启裂载荷时的裂尖位移场和应变场;通过实验-有限元数值混合法,得到上述载荷作用下的远场应力场。将裂纹尖端内聚力区的牵引力和分离量进行离散化处理,内聚力区的分离量由上述DIC实验测得。利用上述断裂实验测量场和数值辅助场的交互J积分与路径无关的性质,建立求解内聚力区的牵引力的方程组,通过改进的场投影法（FPM）测得材料宏观内聚力区模型牵引-分离关系。本文针对纤维体积含量为49%和20%的云杉/PP短纤维复合材料以及玻璃纤维/PU编织复合材料,测量了在不同载荷和裂纹启裂载荷时其宏观内聚力区牵引-分离关系曲线,得到其宏观内聚力区强度和应变能释放率。讨论了弹性模量与积分路径对CZM牵引力测量结果的影响。采用基于本文内聚力区模型的牵引-分离关系曲线的实验测量方法、实验-有限元数值混合J积分方法和Irwin-Kris方法,测得云杉/PP复合材料的宏观断裂能量释放率,对结果进行了比较和讨论。用双线性内聚力区模型表征云杉/PP短纤维复合材料的宏观断裂和微观纤维基体界面力学行为,采用Mori-Tanaka细观力学方法,估计确定了纤维体积含量为49%和20%两种云杉/PP短纤维复合材料的纤维基体界面CZM参数,即纤维基体界面的内聚力区强度、界面刚度和界面能量释放率。本文工作为非均匀复合材料的宏观断裂行为、纤维基体界面力学行为的表征以及材料的优化设计提供了实验测试方法和数据。
天津大学天津市211工程院校985工程院校教育部直属院校
【学位级别】：硕士
页数：67
文章目录
中文摘要
ABSTRACT
字母注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 内聚力区模型的应用与分类
1.3 内聚力区模型研究现状
1.4 本文主要工作
第二章 宏观内聚力区牵引-分离曲线测量方法
2.1 改进的场投影法算法基本原理
2.2 实验材料及设备
2.3 紧凑拉伸断裂实验
2.4 误差分析
第三章 宏观内聚力区模型参数测量结果与分析
3.1 纤维含量为49%云杉/PP试件计算结果
3.2 纤维含量为20%云杉/PP试件计算结果
3.3 玻璃纤维/PU试件计算结果
3.4 宏观内聚力区牵引-分离关系结果讨论
3.5 弹性模量与积分路径对CZM牵引力测量结果的影响
3.6 误差分析
第四章 宏观能量释放率与纤维基体界面CZM参数表征
4.1 能量释放率计算方法
4.2 能量释放率计算结果与比较
4.3 云杉/PP纤维基体界面CZM参数的表征
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
参考文献
期刊论文
[1]数字散斑相关方法与应用研究进展[J]. 王怀文,亢一澜,谢和平. 力学进展. 2005(02)
[2]改进植物纤维/热塑性塑料复合材料界面相容性的技术进展[J]. 郑玉涛,陈就记,曹德榕. 纤维素科学与技术. 2005(01)
[3]复合材料断裂力学研究现状与趋势[J]. 张双寅. 力学进展. 1987(01)
硕士论文
[1]实验与数值混合法确定短纤维复合材料宏微观内聚力模型参数[D]. 张晓旭.天津大学 2013
[2]实验与数值混合法研究植物短纤维复合材料的断裂与增韧行为[D]. 梁冬超.天津大学 2013
本文编号：2101650
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