复合材料界面的内聚力模型及其应用_卢子兴

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1、固体力学学报第３６卷专辑Ｖｏｌ．３６Ｓ．Ｉｓｓｕｅ２０１５年１０月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＬＩＤＭＥＣＨＡＮＩＣＳＯｃｔｏｂｅｒ２０１５＊复合材料界面的内聚力模型及其应用＊＊卢子兴（北京航空航天大学固体力学研究所，北京，１００１９１）摘要复合材料界面力学问题是复合材料力学研究的热点，近些年得到学者们的广泛关注，发表了大量文献，并取得了重要进展．论文简要介绍复合材料界面内聚力模型（ＣｏｈｅｓｉｖｅＺｏｎｅＭｏｄｅｌ，ＣＺＭ）的研究进展，重点介绍本课题组最近在界面模型理论研究及应用研究方面的一些工作，希望对国内相关领域的研究有

2、所裨益．关键词复合材料界面，内聚力模型，弹塑性，黏塑性，编织复合材料，数值模拟［４－７］０引言分文献给出简要介绍．例如，Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ利用一针对复合材料的界面问题，如何给出科学合理个内聚力与张开位移的多项式和商指数函数的势函的力学模型来描述其本构关系，并借助数值模拟的数关系定义了界面力和界面张开位移不连续性之间方法有效地预测界面的非线性行为（包括界面复杂的关系，从而有效地解决了金属基复合材料纤维与的几何非线性运动学描述和弹塑性脱粘的材料非线基体的脱粘问题以及提供了界面裂纹的形核、扩展性变形特征）以及率相关行为，定量化地探究界面微直

3、至最后完全脱粘的统一内聚力模型框架，并把内区的力学性能（包括界面的强度、硬化和软化等）对聚力模型应用到球体夹杂和圆柱夹杂的脱粘问题、宏细观复合材料力学性能的影响具有重要的理论意陶瓷夹杂金属基复合材料的脱粘问题和黏塑性块体义和工程应用价值．本文将简要介绍复合材料界面在刚性层上的脱粘问题．随后，Ｘｕ和Ｎｅｅｄｌｅ－［８－１０］内聚力模型的研究进展，重点介绍本课题组最近在ｍａｎ又利用上述模型研究了颗粒和基体界面之界面模型理论研究及应用研究方面的一些工作．间的孔隙成核、动态载荷下脆性材料中的裂纹快速１复合材料内聚力模型研究进展增长和两相材料界

4、面处的动态裂纹增长问题．内聚力模型是用来描述界面力学行为的一种模内聚力模型在模拟复合材料的脱粘以及断裂方［１］［２］［１１］型，最初是由Ｄｕｇｄａｌｅ以及Ｂａｒｅｎｂｌａｔｔ在解决延面得到了广泛的应用，如在层合板的分层脱粘、［１２］性金属材料的弹塑性断裂问题时提出的．在该模型功能梯度材料的界面行为以及混合型断裂失效［１３］［１４］中，裂纹表面的一部分不受任何应力作用，而另外一模式等方面．Ｔｖｅｒｇａａｒｄ提出了与Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ部分则作用有应力，并称之为“内聚力”．因此，裂纹相似的模型，该模型将界面的法向和切向张开位移尖端附近复杂变

5、形区域的力学行为就可以通过作用进行耦合来解决纤维与基体界面的脱粘问题和陶瓷在裂纹面上的张开力与张开位移的等效关系来描复合材料内部裂纹的桥联问题．随后，Ｔｖｅｒｇａａｒｄ和［１５］［１６］述．随着非线性问题的提出，人们开始将该模型引入Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，Ｗｅｉ和Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，Ｙａｎｇ和［３］［１７］到有限元模拟中．Ｈｉｌｌｅｒｂｏｒｇ首先将内聚力模型应Ｔｈｏｕｌｅｓｓ采用梯形函数的内聚力模型来描述弱用到有限元计算中，并提出了混凝土的虚拟裂纹模界面，研究了界面强度并分析了有塑性区时的界面［１８］型．内聚力模型因为引入了内聚区域和

6、内聚力，从而分离问题．Ｃａｍａｃｈｏ和Ｏｒｔｉｚ采用双线性内聚力避免了像线弹性断裂力学中裂纹尖端应力奇异性的模型和一个附加的断裂准则模拟了冲击载荷下脆性［１９］问题，可较好地模拟裂纹扩展行为和复合材料的界材料的裂纹扩展过程．Ｇｅｕｂｅｌｌｅ和Ｂａｙｌｏｒ采用双面力学行为．线性内聚力模型模拟了低速冲击载荷下复合材料薄内聚力模型自提出以来受到了学术界和工程界板中横向基体裂纹和分层前端裂纹的自发起始和扩［２０］的广泛关注，已经发表了大量文献，这里仅就其中部展．Ａｌｆａｎｏ和Ｓａｃｃｏ在内聚力模型中把界面损伤＊国家自然科学基金项目（１１４７２

7、０２５和１１２７２０３０）资助．＊＊通讯作者．Ｔｅｌ：０１０－８２３１７５０７；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｚｉｘｉｎｇ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ．·８６·固体力学学报２０１５年第３６卷［４３］和摩擦结合到一起，把界面分解为无损伤和完全损合起来使数值结果更加精确．Ｚｈａｎｇ等通过纤维伤部分，并假设摩擦只发生在完全损伤部分中．复合材料截面的扫描电镜照片，获得了其纤维复合最近，有学者尝试将连续介质力学理论与数值材料单胞模型的有限元几何信息，并结合有限元软模拟方法相结合来研究复合材料的界面力学问题．件Ａｂａｑｕｓ，采用显式有限元方法预报了含界面的纤对于

8、界面脱粘开裂的几何非线性过程，Ｏｒｔｉｚ和维复合材料横向力学性能，该方法不仅克服了隐式［２１］Ｐａｎｄｏｌｆｉ建立了一个三维的内聚力模型，该模型有限元求解的收敛性问题，而且数值模拟的应力－应［４４，４５］能够解释动态载荷