复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．1187-194ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．ca复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析刘伟先，周光明*，王新峰南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点试验室，江苏南京210016摘要：对复合材料端部缺口弯曲(ENF)试件裂纹扩展过程进行了理论分析，研究了界面参数变化对载荷一位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上，通过双线性Cohesive本构模型模拟了界

2、面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响，根据界面损伤程度对模型进行了分段，并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程，求解获得了载荷一位移曲线。通过与已有理论模型结果对比，验证了本文理论分析的正确性，且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系，为界面参数的选取提供了一定的依据。关键词：ENF试件；Cohesive理论；轴力影响；裂纹扩展；黏聚区长度中图分类号：V2l；TB332文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0187—08分层抵抗能力是复合材料主要的结构性能之一，目前各

3、种断裂试验用于测量纯模式和混合模式负载下的临界应变能释放率(SERR)，其中端部缺口弯曲(ENF)试件被广泛用于评估复合材料剪切型断裂韧性。长期以来国内外科研工作者对ENF试件的分析、建模和设计上进行了广泛的研究。最早由Russell和Street[1]首先基于简支梁理论对ENF试件进行了简单的解析分析，其中忽略了横向剪切变形及裂纹尖端应力奇异影响。Carlsson等[2]在此基础上应用铁木辛柯梁理论通过考虑横向剪切变形对解进行了改善，但裂尖变形被忽略了，再次低估了SERR。其后的研究则通过在分析中合并裂尖变形效果对解进行了若干修正。Whitney等[31基

4、于剪切变形板理论分析考虑了裂尖应力奇异性。稍后又采用基于Reissners变分原理的高阶梁理论分析了ENF试件[4]。Wang和wi卜liamsIs]通过引入额外长度尬修正裂纹长度(h为试件厚度一半；X为修正系数)，通过将修正后裂纹长度代入经典梁理论来评估SERR。Chat—terjee[61通过将各向同性条板已知数值解转化为各向异性情况得到了相同的结论。Corleto和Hogan[71则将用于双悬臂梁(DCB)试件的弹性地基梁理论扩展到ENF试件中，获得了临界SERR的解析解，其中考虑了裂纹尖端变形的影响。所有上述考虑裂纹尖端变形效果的方法[3。7]比根据

5、经典和剪切变形梁理论口。2]为临界SERR提供了一个更好的估计。随后Ozdil等[83将研究扩展到角铺层下的ENF试件，获得了复合材料层合结构下界面断裂韧性(GⅡc)的理论计算公式。Ding和Kortschot[91提出一种未考虑剪切变形的简化弹性地基梁模型。而Wang和Qiao[1们将ENF试件拆分为完好三点弯及裂纹面承受剪力反对称开裂收稿日期：2013—04．01；退修El期：2013-05-06；录用Et期：2013-05—30；网络出版时间：2013．07—0110．33网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．

6、V20130701．1033．004．htmI基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者Tel：025—84892546E—mail：zhougm@nuaaeduOn引用播武tLiuWX．ZhouGM．WangXF．TheoreticalanalysmofcrackpropagationincompositeENFspecimens(JJActaAeronaut_fcaetAstronauticaSinica．2014．35(1)：187-194翩伟先．罔光豌．壬新峰。复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析[J]．航空学报．2014．35(1)：187

7、-194．航空学报梁两模型进行叠加，从而求得SERR。DeMo—rais[1妇在此模型基础上提出了Cohesive梁模型，考虑裂纹尖端界面损伤对临界SERR的影响。而RaghuPrasad和PavanKumar[121则全面研究了3阶以内剪切变形对ENF试件临界SERR的影响。国内陈瑛和乔丕忠口朝将双线性Cohesive模型引入试件中，研究了界面应力分布，但并未对全梁位移模式进行研究，未研究裂纹扩展过程。本文以经典梁理论为基础，对梁微段进行分析，并根据标准ENF试件反对称结构特性对其进行适当简化。通过理论分析获得轴向位移及挠度微分控制方程，并考虑轴力对结果的

8、影响，与实际更加相符。采用双线性Cohesive本构