纤维增强复合材料损伤行为及强度预测细观力学建模研究进展

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1、2014年第6期玻璃钢/复合材料83纤维增强复合材料损伤行为及强度预测细观力学建模研究进展*王艳飞，孙耀宁，孙文磊，海几哲(新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047)摘要:纤维增强复合材料的强度取决于微尺度开裂、脱粘和复合材料单元和组分相之间的相互作用。复合材料的损伤程度是影响工程应用中使用寿命失常的重要因素。采用细观力学模型对复合材料的强度、刚度和使用寿命进行预测，可以实现复合材料结构的宏、细观一体化分析。在此，总结了纤维增

2、强复合材料断裂、损伤和变形的细观力学分析模型的发展，并展望了其发展趋势。关键词:纤维增强复合材料;损伤行为;细观力学;分析模型中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1003－0999(2014)06－0083－07［3，4］纤维增强复合材料作为一种新兴的结构材料，的载荷，如果载荷超过临界值，纤维就会破坏。具有高比刚度、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、耐磨、耐纤维中的裂纹就会引起基体中较高的应力集中，断高温性能以及热膨胀系数小等特点。广泛应用于现裂点周围的纤维或者基体将承受较大的载荷，从而［5］代工业中。纤维增强复合材料最

3、早成熟应用于航空导致纤维或者基体开裂。这种情况可以在高强度［1］航天领域，可实现相应减重20%～30%，同时还纤维/基体界面的复合材料承受沿纤维轴线拉伸载能提升飞机结构的其他性能，例如复合材料的气动荷作用时观察到。如果界面强度相对较弱，微裂纹剪裁技术可显著提高结构效率;整体成形技术可有可能会在界面上存在(纤维/基体脱粘)，导致纤维效减少连接，提高结构可靠性，降低成本;复合材料拔出以及基体开裂。耐蚀、抗疲劳特点可减少维护成本。在风力发电领如果能够正确地确定材料的损伤演化过程，并［2］域，风力发电机叶片承受周期性的动态载荷，为

4、避进而预报复合材料的强度，对建立材料细观结构与免叶片在较低应力水平下的疲劳破坏，需要采用疲宏观力学性能的关系并预测复合材料的宏观力学性劳可靠性较高的材料，另外，为了保证结构的稳定能有着极其重要的意义。性，要求叶片材料具有高的强度和刚度，而纤维增强复合材料优良的比强度、比刚度和抗疲劳性可以满1纤维增强复合材料强度和损伤的分析足要求。模型在日益激烈的市场竞争中，产品使用寿命越来纤维增强复合材料的强度取决于微尺度开裂、越引起人们的关注，在复合材料中纤维是主要承载脱粘以及复合材料单元和组成相之间的相互作用。组分，由它提供复合材料的

5、强度和刚度，基本控制着为了对这些过程进行建模，研究人员提出了许多分复合材料的力学性能。如果复合材料在使用中产生析方法，其中有基于剪切滞后的模型、纤维束模型、纤维断裂，随着载荷的增加，原有缺陷扩大或发生新基于断裂力学的模型和基于连续损伤力学的模的损伤，使得大量产品在其有效寿命期内报废，实际型等。使用寿命与预测寿命形成较大反差。1.1基于纤维断裂损伤的模型在实际使用中，由于纤维的强度分散性较大，许复合材料存在纤维断头时，断头上卸掉的力将多较弱的纤维在较低载荷，甚至在加工过程中就已通过基体传递到邻近纤维而造成静应力集中;当复经断

6、裂。在纵向拉伸载荷作用下，纤维承受着主要合材料受力过程中有纤维突然被拉断时，断头上载收稿日期:2013-12-17基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金(2014211A010)作者简介:王艳飞(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为复合材料优化设计。通讯作者:孙耀宁(1977-)，女，博士，副教授，sunyaoning2004@126.com。FＲP/CM2014.No.684纤维增强复合材料损伤行为及强度预测细观力学建模研究进展2014年6月

7、荷突然卸掉并通过基体的传递，邻近纤维将受到瞬素对邻近断口的基体和纤维产生应力集中的影响;［6，7］态的动力响应而造成动应力集中。而静应力集在基于三维模型的剪滞理论中引入纤维排列方式、中和动应力集中将对纤维的后续断裂产生不利影基体拉伸模量、界面脱粘及纤维强度的分散性等响。基于纤维断裂损伤引起的应力集中对纤维增强因素。复合材料进行强度分析的细观力学模型主要有剪切通过以上对剪切滞后模型的不断完善，减少了滞后模型和强度统计模型。模型使用的局限性，使剪滞模型的预测结果更加接1.1.1剪切滞后模型及其发展近实际

8、情况。［8］Cox在1952年最早引入了剪切滞后法求解纤1.1.2强度统计模型及其发展［15］维的破坏所导致的应力集中问题，是研究断头上的Coleman于1958年首次提出了细观力学中力如何通过基体传递到邻近纤维的一个简化力学模的纤维强度统计模型-链式模型。在细观力学分析型。其重点对复合材料的结构特点进