复合材料分层问题探究

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1、复合材料分层问题探究刘凯（西北工业人学机电学院，陕西西安710072）摘要针对复合材料中最常见的分层失效问题，木文首先分析复合材料分层破坏现象，在界而裂纹应变能释放率分量求解的基础上采用模式混合度，综合考虑断裂模式耦合性的各向开性，得到基于模式混合度的断裂判据及扩展准则。然后根据虚拟裂纹闭合方法（VCCT）对复合材料层之间的力学问题进行模拟，建立木构关系，得到界面材料的失效准则。最后提到了两种当前较为先进的检测技术方法，分别是红外热像检测以及使用光纤Mach-Zehnder^涉仪检测，后一种方法的精度更高一些。关键词复合材料；分层失效；断裂判

2、据；失效准则；检测ResearchoncompositesdelaminationLiuKai(SchoolofMechatronics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China)AbstractForthemostcommondelaminationfailureproblem,thispaperfirstanalysesthelayeredcompositematerialdamage,basedonthesolvingofcomponentsoftheinterfacec

3、rackstrainenergyreleaserate,withthemodemixingdegreetheoryandconsideringthecouplinganisotropicofthefracturemode,weputforwardaprincipleoffracturecriterionandexpansionbasedonthemixedmodel.Thensimulatethemechanicsbetweenthecompositemateriallayersaccordingtothevirtualcrackclosur

4、emethod,constructconstitutiverelationship,getinterfacematerialfailurecriterion.Last,thispapermentionstwokindsofdetectiontechnology,whicharemoreadvancedatpresent,theseareinfrareddetectionandMach-Zehnderinterferometerdetectionwithfiber,andthelattermethodhasahigheraccuracy.Key

5、wordsCompositematerials;Delaminationfailure;Fracturecriterion;Failurecriterion;Testing1•前言复合材料具冇高刚度、高强度及低比重等优点，在航空航天领域中的应用越来越广泛。复合材料的层合板的界面结合强度(层间结合强度)通常较低，同吋层合板自由边、孔边等几何不连续处存在高的应力集屮现象。低的界而结合强度和高的层间应力，将会导致复合材料出现层间分离现象，进而导致构建失效。因此，分层问题是复合材料层合板最常见的问题，数据统计越60%的层合板失效都与分层有关。复合材料

6、分层常常发生在具有不同纤维方向的铺层之间，界面处儿何及材料的不连续性导致裂纹尖端的应力场及位移呈现出奇异性。复合材料界而的裂纹扩展情况极其复杂，裂纹间断存在高度应力集中和应力场奇异性，仅用一般的弹性力学参数无法准确的描述界面裂纹扩展的过程。2.分层断裂判据及扩展准则复合材料分层扩展常表现为相邻两铺层之间脱胶部分的延伸，类似于断裂力学屮的裂纹扩展问题。因此，通常釆用断裂力学的方法，把复合材料分层扩展看作不同断裂模式共同作用下的裂纹扩展问题，并利用能量释放率或盈利强度因子的观点建立裂纹萌生及扩展准则，进而分析复合材料分层破坏的现象。复合材料分层损

7、伤的木质是各向异性材料界面裂纹问题，较各向同性材料内部裂纹耍复朵的多，其裂纹尖端存在高度应力集中和应力场震荡奇异性，用-•般的弹性力学参数如应变能释放率、应力强度因子等不能准确的描述界面裂纹扩展过程，应该在界面裂纹应变能释放率分量求解的基础上采用模式混合度，综合考虑断裂模式耦合性的各向异性。2.1.界面裂纹应变能释放率儿何与材料上的不连续导致图1所示的双材料界面裂纹尖场具有震荡奇异性。Willianms⑴指出，界面裂纹裂尖奇异性具有^(f=，2+^)的形式，震荡指数表示为1.[11^2矩匕+创(1)式中呂为二阶Dundurs参数，是界面裂纹两

8、侧材料属性的函数。rMaterial2（為叫）Material1（&,比）图1界面裂纹示意图对正交各向异性材料，震荡指数仍由式（1）表示，Dundurs参数。和0是