随机植物短纤维复合材料界面相性能对拉伸和断裂行为的影响

摘要

随机植物短纤维热塑性复合材料是新型可降解、可循环利用的生物复合材料,因其优异的拉伸性能和较高的断裂韧性及质量轻和成本低等优点,广泛被应用于绿色汽车和高速列车等运载工具的内承力构件中,其断裂力学行为备受制造业的重视。
　　本文采用内聚区模型(Cohesive Zone Model,CZM)表征云杉木纤维和聚丙烯(Polypropylene,PP)基体间界面相的力学行为,编写 Fortran程序生成具有不同纤维含量的随机植物短纤维复合材料的有限元模型,考虑木纤维是各向异性的,其材料主方向、位置和几何取向分布是随机的,PP基体材料是弹塑性的。
　　研究了界面相刚度、破坏初始有效位移、完全破坏有效位移和界面断裂能等界面相参数对该复合材料宏观拉伸行为的影响。分析表明,随着界面相性能的增强复合材料的刚度和强度提高;界面相刚度对材料宏观模量影响最大。计算模拟得到了不同纤维含量复合材料有效模量和界面刚度的关系曲线。结果表明随界面刚度增大,复合材料刚度增加;界面刚度增大到接近理想粘接界面时,材料刚度变化趋于常数,与Hashin-Shtrikman模型计算结果一致。
　　采取上述模型建立复合材料弹塑性断裂力学模型,研究了木纤维和基体之间界面相性能对材料断裂力学行为的影响。数值结果表明,在相同载荷下随界面刚度或界面断裂能的增大,J积分下降;随着载荷增加,界面断裂能较小的材料的J积分首先开始下降;纤维基体界面断裂能越高,复合材料发生断裂破坏需要的能量越大;界面相性能的优化能够明显地提高植物短纤维复合材料的断裂韧性。

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第一章 绪论

1.1研究的背景

1.2 CZM方法在界面相行为研究中的应用

1.3本文的主要工作和创新点

第二章 随机植物短纤维复合材料界面表征及数值模型

2.1 界面相的表征

2.2 复合材料界面相的力学模型

2.3 随机植物短纤维增强复合材料数值模型

2.4 本章小结

第三章 复合材料拉伸行为模拟及界面相的影响

3.1单向拉伸模型及边界条件

3.2复合材料宏观行为的模拟

3.3 界面相对宏观拉伸行为的影响

3.4 本章小结

第四章 复合材料断裂行为模拟及界面相的影响

4.1紧凑拉伸模型及边界条件

4.2 计算结果和分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 复合材料二维模型的讨论和展望

5.3 内聚区模型的应用展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢