随机植物短纤维复合材料界面相性能对拉伸和断裂行为影响

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印

2、件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要随机植物短纤维热塑性复合材料是新型可降解、可循环利用的生物复合材料，因其优异的拉伸性能和较高的断裂韧性及质量轻和成本低等优点，广泛被应用于绿色汽车和高速列车等运载工具的内承力构件中，其断裂力学行为备受制造业的重视。本文采用内聚区模型（CohesiveZoneModel，CZM）表征云杉木纤维和聚丙烯（Polypropylene，PP）基体间界面相的力学行为，编写Fortran程序生成具有不同纤维含量的随机植物短纤维复合材料的有限元模型，考虑木纤维是各向异性的，其材料主方向、

3、位置和几何取向分布是随机的，PP基体材料是弹塑性的。研究了界面相刚度、破坏初始有效位移、完全破坏有效位移和界面断裂能等界面相参数对该复合材料宏观拉伸行为的影响。分析表明，随着界面相性能的增强复合材料的刚度和强度提高；界面相刚度对材料宏观模量影响最大。计算模拟得到了不同纤维含量复合材料有效模量和界面刚度的关系曲线。结果表明随界面刚度增大，复合材料刚度增加；界面刚度增大到接近理想粘接界面时，材料刚度变化趋于常数，与Hashin-Shtrikman模型计算结果一致。采取上述模型建立复合材料弹塑性断裂力学模型，研究了木纤维和基体之间界面相性能对材料断裂力学行为的影响。数值结果表明，在相同载荷下

4、随界面刚度或界面断裂能的增大，J积分下降；随着载荷增加，界面断裂能较小的材料的J积分首先开始下降；纤维基体界面断裂能越高，复合材料发生断裂破坏需要的能量越大；界面相性能的优化能够明显地提高植物短纤维复合材料的断裂韧性。关键词：随机植物短纤维复合材料，内聚区模型，界面相，拉伸强度，断裂韧性ABSTRACTRandomshortnaturalfiberreinforcedcompositeisakindofbiodegradablebiomaterial,whichhasexcellentpropertiesintensilestrengthandfracturetoughnessandc

5、anbeusedinmainstructures.Itiswidelyusedinmotorindustryandstudiedonitsfracturebehavior.Anumericalmodelisusedinthisthesistostudythemechanicalbehaviorofnaturalshortfiberreinforcedcompositematerial,usingtheCohesiveZoneModel(CZM)tosimulateandcharacterizethebehaviorandperformanceofinterphasebetweenpla

6、ntfibersandPolypropylene(PP)matrix.Inthemodel,thedistributionanddirectionoffibers,fibercontentandtheroleofinterphasewereconsidered.AndPPmatrixiselastic-plasticmaterial.Itprovidesamethodtostudytheeffectsofinterphaseparametersonthemechanicalpropertiesofthecomposite.Themethodofnumericalexperimentis

7、usedheretostudythetensilebehaviorofcompositematerialswithdifferentinterphasecharacteristics,suchaseffectivedisplacementattheinitiationofdamage,effectivedisplacementatcompletefailureandenergydissipatedduetofailure.Itisfoundth