碳纤维复合材料层合板渐进失效声发射试验研究与分层数值仿真

摘要

碳纤维复合材料由碳纤维增强体和树脂基体组成，是新材料领域重点开发、研究的一种结构材料，它具有一系列的优异性能，如高强度、高模量、低密度、低热膨胀系数等，因此有着良好的发展前景。然而碳纤维复合材料的失效形式多样、失效机理复杂，对于不同模式下材料失效机理的研究是现阶段亟待解决的一个重点问题。本文结合试验分析和有限元模拟，对碳纤维复合材料在拉伸载荷、模式Ⅰ、模式Ⅱ以及Ⅰ/Ⅱ混合模式下的破坏失效行为进行研究，为其能够更好的应用于航空航天、医疗、制造等领域提供更多的理论依据和相关分析方法。
　　碳纤维增强树脂基体复合材料的失效形式主要有基体开裂、界面分层、纤维拔出和纤维断裂，而材料在各个阶段内部的载荷分布情况不尽相同，因此，剖析材料在受载条件下从裂纹产生到分层或断裂失效整个过程中发生的失效形式并评估各阶段材料的力学性能，对提高复合材料在使用过程中的安全性具有十分重要的意义。本文采用扫描电镜(SEM)、声发射(AE)、拉伸力学性能测试(MTS)等技术，考察了T700/8911碳纤维增强树脂基体复合材料试样在损伤失效进程中的结构和力学性能的变化，探讨了其在损伤失效进程中的演变规律，获得了碳纤维增强树脂基体复合材料在不同载荷下的损伤失效形式，深刻研究了应力集中对碳纤维增强树脂基体复合材料损伤破坏的影响，提出了在拉伸载荷作用下，有应力集中的材料的失效历程。
　　其次，本文在充分吸收国内外碳纤维增强树脂基体复合材料在承受外载下层间损伤破坏机制的理论和试验研究的基础上，针对模式Ⅰ、模式Ⅱ以及Ⅰ/Ⅱ混合失效模式下层间损伤失效过程，基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)建立了材料的分层损伤演化准则，通过有限元软件ABAQUS的材料本构模型予以实现，然后通过复合材料力学试验，验证了所建立模型的正确性，并为预测分析该类型复合材料在载荷作用下的分层损伤提供了试验和理论依据。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．2．1 声发射研究现状

1．2．2 分层研究现状

1．2．2 存在问题

1．3 本文研究思路及研究内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 技术路线

1．3．3 研究内容

第二章 T700／8911碳纤维增强树脂基复合材料试验分析

2．1 试验材料与试验设备

2．1．1 材料参数

2．1．2 试样制备

2．1．3 试验设备

2．2 试验测试及分析

2．2．1 带孔试样拉伸试验及声发射测试

2．2．2 带孔试样断口形貌分析

2．2．3 碳纤维增强基树脂复合材料拉伸破坏失效分析

2．2．4 常温及湿热环境三点弯曲试验

2．3 本章小结

第三章 基于VCCT的不同模式下复合材料层合板分层失效分析

3．1 模式Ⅰ下分层失效分析

3．1．1 试验分析

3．1．2 有限元模型

3．1．3 结果比较

3．2 模式Ⅱ下分层失效分析

3．2．1 试验分析

3．2．2 有限元模型

3．2．3 结果比较

3．3 Ⅰ／Ⅱ混合模式分层失效分析

3．3．1 试验分析

3．3．2 有限元模型

3．3．3 结果比较

3．4 湿热环境下Ⅰ／Ⅱ混合模式分层失效分析

3．4．1 试验分析

3．4．2 有限元模型

3．4．3 结果比较

3．5 本章小结

第四章 总结和展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

硕士期间取得的科研成果和奖励