改进的虚裂纹闭合技术及其在复合材料脱层分析中的应用

提出一种改进的虚裂纹闭合技术 (VCCT)对轮胎带束 (一种复合材料结构 )不同脱层长度下的应变能释放率进行了计算。将强制裂纹闭合的位移作为一种可变约束施加在变形后的裂纹尖端 ,约束反力作为裂纹尖端力计算 ,应变能释放率由裂纹尖端力和约束位移的乘积得到。该方法的优点是简便易行 ,在物理理解上直观 ,实施起来方便。本文应用该技术对带束脱层进行了断裂力学分析 ,给出了数值结果 ,并对带束的脱层寿命进行了评价。

陶瓷基复合材料基体裂纹偏转能量释放率研究

采用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算了基体裂纹在界面处不同传播路径的能量释放率,并结合基于能量释放率的裂纹偏转准则对陶瓷基复合材料基体裂纹偏转进行了研究.计算了弹性错配参数α和β、基体裂纹扩展长度a、基体裂纹相对扩展长度ad/ap对裂纹偏转的影响,并将VCCT计算结果与积分法的计算结果进行比较.结果表明:VCCT能够准确计算基体裂纹扩展时的能量释放率,计算结果可为研究陶瓷基复合材料失效机制提供一定参考.

裂纹间距及铺层角度对复合材料分层的影响

分层问题是复合材料层合板最常见问题,据统计约60%的层合板失效都与分层相关。通过基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的重合网格法(S-FEM),分析了不同铺层角度及裂纹间距对应变能释放率的影响。由分析结果可看出,应变能释放率随铺层角度增加而减小;在裂纹尖端距离相对较小时,距离对能量释放率的影响要远大于铺层角度变化的影响。

复合材料界面裂纹尖端应变能释放率及模态混合度计算

为了准确预测复合材料层合板分层扩展及疲劳损伤,应用改进的虚裂纹闭合技术计算复合材料分层尖端处应变能释放率及模态混合度。首先介绍了改进的虚裂纹闭合技术,然后将其应用到重合网格法中,求得了分层尖端处总应变能释放率,并提取了各模态下的应变能释放率分量。最后利用某界面裂纹模型验证了该方法计算应变能释放率、模态混合度及提取应变能释放率分量的有效性。

重合网格法在复合材料分层问题中的应用

使用重合网格法(S-FEM)分析了混合模态下CFRP层合板分层问题。首先将虚裂纹闭合技术集成到S-FEM程序中,求解了复合材料分层尖端处的应变能释放率。然后把重合网格法数值结果与基于梁理论的计算结果及实验数据进行了比较。结果表明,对于单方向及多方向CFRP复合材料层合板,重合网格法都能够得到更精确的数值,是一种有效的计算复合材料裂纹尖端应变能释放率的方法。

热力载荷下多材料构件连接区的界面断裂分析

应用改进的虚裂纹闭合技术对热、力载荷作用下多材料构件连接区界面进行断裂分析。首先,通过对含橡胶夹层的复合材料层合板单腿弯曲(SLB)试件断裂分析,研究了在不同温度载荷作用下,橡胶夹层对试件能量释放率及其各型分量的影响。其次,对具有热流边界下,典型复合材料-橡胶-金属组成的多材料圆柱壳体连接裙结构进行了热力耦合断裂分析,结果表明裂纹总能量释放率随温度升高而增大。最后,针对该连接裙结构讨论了裂纹位置和橡胶层厚度对裂纹能量释放率的影响,指出适当增加橡胶层厚度可以降低裂纹能量释放率,但橡胶厚层度与界面韧性之间存在尺寸效应。

多材料构件界面断裂分析

为了解决含有橡胶材料的界面断裂问题,提出了一种改进的虚裂纹闭合技术,该技术采用逐步线性化的方法,同时考虑了材料非线性与几何非线性的影响。首先,计算了双裂纹橡胶试件裂纹尖端的能量释放率,通过与已有文献的比较,可知所提出的改进的虚裂纹闭合技术是可靠、有效的。其次,对含有橡胶夹层的SLB模型进行了研究,通过计算分层前缘能量释放率Ⅰ型、Ⅱ型分量,和其与总能量释放率的比值,可知橡胶材料的引入使结构的能量释放率总量增大,Ⅱ型分量的比例明显增大。在多材料体系连接结构的断裂分析中,计算了不同分层位置下裂纹的能量释放率,并考虑了外层纤维缠绕层尺寸变化对能量释放率的影响。最后,提出了相应的多材料体系构件的断裂准则。

具有短纤维增韧界面的复合材料夹芯梁断裂机制的实验和数值研究

对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁,并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散,建立了相应的细观模型。然后,假设短纤维在界面内随机均匀分布,得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上,建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型,通过引入非线性弹簧单元,以反映界面短纤维所产生的桥联特征,并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论,证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明,在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。