含界面相复合材料热残余应力分析

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1、第31卷第2期CHINESEJOUR固N体AL力O学FS学OL报IDMECHANICSVo1．31No．22010年4月April2010含界面相复合材料热残余应力分析张博明杨仲“孙新杨王晓宏(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨，150001)摘要该文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布．针对材料实际微结构几何特点，建立含有界面相的三维三相单丝模型，采用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律，由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布，再用场叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE

2、)中纤维问相互影响的应力场，同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布，两者结果基本一致．最后通过碳纤维单丝电阻法测出T300／环氧树脂体系固化后的纤维轴向残余应力，实验数据与解析和有限元分析结果基本吻合．关键词界面相，残余应力，碳纤维电阻，有限元，复合材料体系上，用等效基体代替纤维之间的相互影响．而当0引言纤维含量较高时，临近纤维间的残余应力场相互叠加成一个偶合场；同时没有针对一种复合材料材料界面是复合材料极为重要的微结构，它作为增体系进行理论与实验测量的比较．强纤维与基体连接的“纽带”，对复合材料的力学性

3、本文从解析、数值和实验三个角度分析含有界能有着至关重要的影响．对于碳纤维／树脂基复合材面的复合材料残余应力分布．解析角度上，应用连续料(CFRP)，由于纤维、界面相和树脂热膨胀系数失介质力学方法推出含有性能梯度界面相的三维单丝配会在形成残余应力，这种应力常导致材料超前的体系残余应力函数，再利用场叠加方法[1得到复合脱粘破坏或严重脆化．因此，准确分析复合材料的热材料临近纤维之间的残余应力分布；数值角度上，建残余应力具有很重要的理论意义和工程应用价立含界面相的代表性体积元有限元模型，将界面相值口_4】．Harris等L

4、5提出垂直于纤维方向的热残余应沿厚度方向划分多个单元模拟界面性能的梯度变力模型，并假设纤维被埋在具有复合材料宏观属性化，在对称面上施加周期性边界条件和温度载荷，通的等效基体中，利用等效弹性模量方法得出接触压过数值计算得出残余应力场；实验角度上，首次通过力与纤维组分之间的关系．之后很多学者在Harris测量固化过程中的碳纤维电阻变化间接得到纤维轴的基础上提出含有界面相的三相横端热残余应力模向残余应力．研究结果表明：该理论得到了数值模拟型，Nairn等L6首先针对含有均匀界面相的复合材和实验测量的验证，为复合材料界面设

5、计提供一定料热残余应力进行研究．Jayaraman等L7给出三种依据．含有性能梯度界面的复合材料热残余应力分布；Mitaka等给出四相模型(纤维、界面相、树脂、等1理论模型效基体)．Kim和Mai等。’“]通过单丝三相模型建立界面相参数与纤维树脂接触压力之间的关联关复合材料固化过程中由于化学和力学作用生成系．Huang等通过实验测出到SiC／Ti-6Al一4V复的界面相属性一般呈梯度分布，实际的分布规律比合材料的界面相厚度，并利用有限元方法给出界面较复杂，结合试验数据和理论分析的方便，采用幂函厚度对复合材料残余应力

6、的影响．Kupke等列通过数形式描述界面模量的空间分布(式(1))，当Q一0测量碳纤维电阻变化得到纤维的轴向应变状态，从时界面属性均匀分布；Q≠0时为梯度分布，且在各而对结构进行健康监测．这些模型都是建立在单丝相材料接触处满足式(2)所示的连续性条件：*200812—17收到第1稿，2009—09—16收到修改稿．**通讯作者．Tel：13946019802，Email：yangzhong@hit．edu．cn第2期张博明等：含界面相复合材料热残余应力分析·143·E2(r)一Pr(1)E(---一-~e+eEI，

7、一，，一E，El一一E。(2)为了更好阐述力学模拟过程，将复合材料的固E(e(6)化过程分为三个阶段：(1)高温固化阶段，材料发生化学变化．固化初期由于树脂的流动性，纤维与树脂E(问是应力自由的；当固化逐渐进行，树脂表现一定的其中P一￡+￡+￡．将式(5)代人式(6)后再代人式流动性和粘弹性特征直到完全变成固态弹性体，所(4)，得到各相中的位移控制方程。以固化结束并保持该温度时，复合材料已具有一定纤维相和树脂相：幅值较小的残余应力，本文忽略这部分由于化学变*十坼一“，r一—0u，’一o(L7)化引起的细观残余应力；

8、(2)降温阶段，不考虑各相材料之间的尺寸限制，当温度降至室温时，各相材料界面相：自由地产生温度变形；(3)应力协调阶段，根据细观结构之间的尺寸配合，三相材料之间相互平衡后产f若(++)+一一。生应力变形从而引起残余应力．I磐===o以阶段(2)为参考构型，建立含有界面相的三维三相单丝模型(图1)，并选择柱坐标系(z为纤维方(8)向)．图1各相之间存在一定量的