复合材料断裂力学ppt课件

复合材料破坏力学，北京交通大学张克军cauzkj，主要内容，复合材料破坏的过程和特征复合材料损伤的主要类型的复合材料破坏力学宏观分析复合材料破坏力学微观分析复合材料破坏表面能复合材料的破坏标准，1 .复合材料破坏的过程和特征，与金属材料不同，复合材料由纤维和基质等不同成分材料构成复合材料在结构上受力变形的过程扩张，随着载荷的增加，原有缺陷扩大或产生新的损伤。 例如，基质中出现微小裂纹、纤维断裂、基质与纤维界面的裂纹等，损伤扩大，裂纹扩展。二.复合材料损伤的主要类型是基体开裂界面脱胶层(层间开裂)纤维断裂时，这4种损伤以不同的组合形成综合损伤，随着损伤区域和尺寸的扩大，宏观裂纹扩展，最终材料断裂破坏。 图1纤维复合材料的各种断裂模式1是纤维断裂2、纤维拉拔3、基体断裂、纤维交联4是基体微断裂5、界面损伤断裂6是层间剪切断裂、复合材料断裂的特征是对纤维分布的缺陷的感受性不同的两个断裂模式：整体损伤模式和龟裂扩展模式层叠板的多重断裂， 纤维纵向分布(b )纤维横向分布复合材料是由基质和纤维构成的非均质各向异性材料，在度列力学分析中应注意的纤维强化复合材料的不均质性，在单层内裂纹可能变得不连续(纤维和基体部分连接，部分脱落)， 裂纹扩展自相似性对于层压板，每层裂纹的产生和发展过程可能不同，每层裂纹可能产生。三.复合材料的断裂力学宏观分析表明，纤维复合材料与常规各向同性材料不同，一种是其各向异性性质，二种是其非均质性，二种是二相材料。 一般认为，在考虑破坏问题时忽略其第二个特征，仅考虑各向异性的结构特征，建立各向异性破坏力学。 均匀各向异性材料的结构关系：研究对象假定为单向连续纤维复合材料板，它有两个主要方向。 在平面应力的情况下，对于均质正交各向异性线弹性板，当裂纹处于对称面时，能量释放率在公式中是柔软系数，各向异性破坏力学被认为可以解决复合材料的破坏问题，但实际上复合材料的破坏现象极其复杂。 均质模型能够解决的问题极为有限，必须考虑不均匀性对破坏行为的影响。4.复合材料的断裂力学详细分析表明，表2所示的复合材料的断裂表面能比单一材料的表面能由单纯混合律的关系计算的表面能大得多。 这是因为复合材料是不均匀的材料，在破坏过程中产生了吸收能量的物理过程。 能量吸收的理论模型和能量公式如下所示。 拉出，这个理论由Cottrell和Kelly提出。 因为纤维的切断口不会与裂开的面重叠，所以如果不抽出埋入基质中的纤维，试料就不会被切断。 在拉出纤维的过程中消耗能量。 假设：纤维断裂随机分布；拉丝过程中纤维与基体之间的初始剪应力不变；忽略该过程中基体产生的塑性流动。 此时断裂比功的公式是纤维的体积比、断裂强度和直径，以及纤维与基体之间的剪切强度。 纤维临界传递力长度的理论成功预示了钨线强化铜复合材料的断裂韧性。2.键合、Outwater和Carnes于1967年对玻璃纤维树脂系统提出了这一理论。 玻璃纤维的断裂变形比基体的断裂变形大，因此基体破裂后玻璃纤维也继续伸长，纤维和基体脱胶。 这个过程一直持续到纤维断裂。 纤维延伸的附加应变能是这种脱胶功能的来源。、3 .应力再分布(stressredistribution )、Piggott和Riz-Randolph提出了另一种吸能机理，纤维断裂后应力再分布机理。 他们认为，纤维断裂前基质几乎不受力，纤维突然断裂后纤维受力再次分布在基质上。 纤维损失的应变能是破坏功能：4 .裂缝桥(crackbridging )随着基体裂缝的扩大，纤维与基体之间的相对位移克服界面剪应力而发挥作用。 这与拉丝机制相似。 另外，纤维突然断裂的话，纤维中储存的能量会传递给基质。 如果将这两者组合起来，就变成了表示“裂缝桥”的表面能。5.基质塑性变形，脆性纤维粘接在韧性基质上时，常常龟裂前缘的纤维发生断裂，基质发生塑性变形，产生局部缩颈，最后全部断裂。 这样的表面能决定了使每单位体积的基质塑性变形到断裂为止所需要的功能。5.复合材料的破坏表面能，相对于纯脆性材料，2倍的破坏表面能和能释放率相等。 看断裂表，是表示材料断裂行为的重要物理量。 有测定几种单一和复合材料断裂表面能的实验。 几种材料的破坏表面能如下所示。 单向纤维增强复合材料在纤维方向上容易产生裂纹，平行纤维裂纹的开裂表面能与表中所示的单一基材的开裂表面能大致相同或略小。 对多层交叉铺装的复合材料，有层间裂纹的倾向。6.复合材料的破坏标准，修正的应力强度因子基准点应力标准和平均应力标准裂纹尖端开口位移标准，1 .修正的应力强度因子标准，Waddoups等在线弹性力学处理复合材料孔、含裂纹的构件破坏时，在破坏长度上加上能量集中区的长度进行修正，即构件承受的临界应力破坏.2.点应力基准和平均应力基准，在有孔、缺口、裂纹的板中，存在前端的局部应力集中区域，以该区域前端的某一距离为特征点，达到该点应力不缺的部件的强度值时被破坏。 是材料常数，与层压板的几何尺寸和应力分布无关。间隙或裂缝前端的某个特征长度内的平均应力达到无间隙的层叠板的破坏应力时，层叠板被破坏这一基准被认为是层叠板材料局部