不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究.pdf

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不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究1 不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究2 不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究3 不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究4 不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究5 不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究6
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第21卷第1期2013年2月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYV01.21No.1Feb.,2013不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究”张阿樱1,张智钧2,张东兴1、(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨学院图书馆,哈尔滨150086)摘要:为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.关键词:碳纤维;复合材料;孔隙;力学性能;数值模拟中图分类号:V258;TB332文献标志码:A———文章编号:10050299(2013)01008606ResearchonthestaticmechanicalpropertiesofCFRPlaminateswithdi肌rentvoidcontentsZHANG—Ayin91一,ZHANGZhi-jun2,ZHANG—Dongxin91(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.Library,HarbinUniversity,Harbin150086,China)Abstract:Theinfluenceofporosityonthestaticmechanicalstrengthofcarbonfiberfabricreinforcedepoxycompositeslaminateswasinvestigated.ThebendingstrengthandILSStestontheCFRPlaminates奶tllporositylevelsfrom0.33%to1.50%wereconductedandsimulatedbyafiniteelementanalysismodel.Thepaper—proposesafailurecriterionofthestaticmechanicalstrengthofthefabricfiberreinforcedcompositesbasedontheimprovedHashinfailurecriterionthatissuitablefortheundirectionalcompositelaminates.ThebasiccompositestrengthparametersareusedtoevaluatethemechanicalpropertiesofCFRPlaminateswithdifferentporosities.AfiniteelementanalysismodeliSestablishedbyusingABAQUSsoftwarecombinedwiththesuddenstiffnessdegradationmodel.TheexperimentresultsshowthatthebendingstrengthandILSSdecreasewiththe—increasingofporosities.ThebendingstrengthandILSSofthefabriccarbonfiberreinforcedepoxycomposites—laminatesaresimulatedaccuratelybythefiniteelementmodel.Keywords:carbonfiber;composites;void;mechanicalproperty;numericalsimulation碳纤维/环氧树脂复合材料由于具有比强度高、比模量高等优点,广泛应用于航天、航空、国防‘等高技术领域卜引.因碳纤维复合材料结构制备工艺的特殊性,孑L隙成为复合材料结构中最为常‘“见的缺陷之一51,孔隙的含量、尺寸及形状对复——收稿日期:20120720.作者简介:张阿樱(1973一),女,博士研究生;张东兴(1961一),男,教授,博士生导师.通信作者:张东兴,E・mail:dongxingzhang@163.CO//1合材料结构的物理及力学性能存在有害影响"。9】.因此,研究孔隙对复合材料力学性能的影响,对于安全、可靠的使用碳纤维增强复合材料(CFRP)具有重要的理论意义和工程价值.如果复合材料层合板的孑L隙率发生变化,采用试验方式测试层合板的力学性能需要进行大量重复性工作,并耗费大量原材料,此外,试验还受到各种随机性因素的影响,存在试验误差及离散性.因此,对不同孔隙率的复合材料层合板的力学万方数据第1期张阿樱,等:不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究.・87・性能及失效形式进行预测,对于合理、有效地使用复合材料是十分必要的.采用有限元软件对复合材料层合板的力学性能进行模拟具有重复性高、耗能少等优点.因此,本文分析了孔隙率对CFRP层合板弯曲强度及层间剪切强度的影响,运用ABAQUS软件对孔隙率范围为0.33%至1.50%、铺层形式为[(±45)。/(0,90)/(±45):]s的CFRP层合板弯曲强度及层间剪切强度进行模拟,为进一步预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能提供了依据,对复合材料结构的可靠性及耐久性评估具有重要的工程意义.1试验1.1层合板制备试验原材料采用铺层方式为[(±45)。/(0,90)/(±45):]。的织物碳纤维/环氧树脂复合材料('1300/914)层合板,层合板采用手工铺层、热压罐一真空袋成型工艺.碳纤维增强环氧树脂预浸料由Hexel生产,纤维含量(体积分数)为52%.本试验采用的热压罐固化压力分别为0.4,0.2,0MPa,生产出孔隙率分别为0.33%,0.71%及1.50%的碳纤维/环氧树脂层合板.材料参数见表l及表2.表1中E¨,E22,E3,为织物复合材料层合板弹性模量;l,。:,矽。,,l,:,为织物复合材料层合板面内泊松比;G。:,G。,,G2,为织物复合材料层合板剪切弹性模量.表2中赫,yT,磊为织物复合材料层合板经向,纬向,法向拉伸强度;x。,yc,zc为织物复合材料层合板经向,纬向,法向压缩强度;5m.s为,5。,为织物复合材料层合板面内剪切强度.表1"1"300/914层合板弹性常数表2T300/914层合板强度参数1.2力学性能试验—根据GB/T33561999《单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法》采用三点加载方式测量CFRP层合板的弯曲强度,弯曲试样尺寸为90mm×25mm×4.5mm,跨度为72mm的依据是1/h=16.弯曲试验采用WDW一10万能试验机,弯曲试验加载速度设定为5mm/min.每组试验取5个弯曲试样,将其平均值作为CFRP层合板试样的弯曲强度.—根据JC/T7731996(单向纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》测量CFRP层合板的层间剪切强度,层间剪切试样尺寸为33mm×6am×4.5—mm,试样的跨度为Z=5h,h为板厚.采用Instron5582万能试验机,层间剪切试验加载速度设为2mm/min.每组试验取5个层间剪切试样,将其平均值作为CFRP层合板试样的层间剪切强度.2不同孔隙率层合板静态力学性能数值模拟本文基于ABAQUS/Standard模块,通过二次开发,利用用户子程序USDFLD接口引入层合板失效准则计算相应的静态力学强度.ABAQUS子程序USDFLD中采用FORTRAN编写失效准则,USDFLD能够利用有限元模块的计算结果,根据编写的失效准则对场变量进行定义.在有限元模块中将表1中层合板参数根据相应的刚度退化准则设置为场变量的函数,根据场变量的值选择破坏点的刚度退化模式.2.1失效准则最大应力失效准则、最大应变失效准则、Tsai——Hill失效准则、Hoffman失效准则、TsaiWu失效准则、Hashin失效准则等均为适用于复合材料单向板强度的失效准则¨0|.本试验采用的原材料为织物碳纤维/环氧树脂层合板,且每层预浸料在经向和纬向的力学性能相同,因此,强度失效判据区别于单向纤维增强复合材料层合板,其破坏模式中不需单独考虑单向板中的基体经向或纬向拉伸或者压缩破坏.然而,目前尚未检索到应用于织物纤维增强复合材料强度准则的相关文献,本文在Shorieh等人¨¨提出的改进.Hashin失效准则基础上,提出了适用于织物纤维增强复合材料层合板的失效准则:经向纤维拉伸破坏(盯¨≥0)时≥(嚣)+(嚣)+(嚣)-;㈩经向纤维压缩破坏(盯¨<.O)时万方数据材料科学与工艺第2l卷㈣巩≥纬向纤维拉伸破坏(or控0)时≥(嚣)2+(嚣)2+(鼍)2・;纬向纤维压缩破坏(盯::<0)时㈢2孔(2)(3)(4)基体纤维经向剪切破坏(盯ll<0)时o・0111oo1o・01o・0111o1o‘‘‘≥(嚣)+(嚣)+(嚣),;c5,o.oIt00.001,。埘10。。10。00.001to.01・0。川010・I-・10。●1,...基体纤维纬向剪切破坏(盯挖<0)时(薏)+(髦)+(嚣)I>1;c6,≥层间拉伸破坏(盯躬0)时(署)+(嚣)+(鼍)纠;c7,层间压缩破坏(盯驺<0)时(嚣)+(嚣)+(嚣)I>1・c8,式中:墨,yT,乙为织物复合材料层合板经向,纬向,法向拉伸强度;xc,Yc,Zc为织物复合材料层合板经向,纬向,法向压缩强度;S。:,S:,,S。,为织物复合材料层合板面内剪切强度.弯曲强度试验有限元模型失效准则采用式(1)一式(8),层间剪切强度试验有限元模型失效准则见式(7).2.2刚度退化模材料刚度退化模型在一定程度上可以描述复合材料结构损伤破坏的复杂过程.刚度退化模型通常分为突然退化模型和渐变退化模型.由于突然退化模型具有二元特性,即一个节点的材料特性或者保持完好或者退化至一个较小值,使得突然退化模型相对简单.复合材料静态力学强度试验中,层合板试样均呈现脆性破坏,因此,本文在定义材料的刚度退化模型时采用突然退化的概念,即当复合材料中的应力状态满足某一失效准则后,复合材料属性将发生瞬间降低.突然退化模型又分为完全刚度衰减和有限刚度衰减.完全刚度衰减指节点一旦发生破坏,即对破坏点的所有刚度系数进行退化.本文采用了有限刚度衰减,即只对与破坏模式相关的材料刚度系数进行衰减.弯曲强度试验有限元模型中材料性能退化准则如表3所示.层间剪切强度试验有限元模型中材料性能退化准则如表4所示.1l0.Oll00l0.OlO.Ol0OOl0.01l0.0l0000.010.010.01l0OllO.010.01O00O.01O.0l0.OlOl010.OlO.OlO.OlOOO0.0lO.0IO.OlllOlll0.OlOOO0.010.OlO.OlOO1l0.01l0.OlO000.Ol0.01O.011Ol1l0.010.OlO00O.OlO.0lO.01011l0.010.010.01000O.Ol0.0l0.Olllll注:材料性能值1表示性能完好,0.01表示材料性能退化到原来的0.01倍.en为经向纤维破坏指标,en为纬向纤维破坏指标,e。为基体纤维剪切破坏指标,ed为分层破坏指标.表4层间剪切强度模型材料性能退化准则ElIE22E33y12y13/"23G12G13G23e。l11llll1lOll0.1lO0lO.OlO.0ll2.3数值模拟根据式(1)~式(8)的失效准则,结合刚度退化模型,引入表2中不同孔隙率T300/914层合板的基本强度参数,采用ABAQUS软件建立有限元模型模拟孔隙率分别为0.33%、0.71%及1.50%的CFRP层合板的弯曲强度及层间剪切强度.2.3.1弯曲强度有限元模型按照CFfuP层合板的铺层形式[(4-45)。/(0,90)/(±45):]。建立有限元模型,图1为采用ABAQUS软件建立的CFRP层合板弯曲强度试验有限元模型,弯曲强度试验有限元模型中单元类型采用一次减缩积分实体单元C3D8R.如图l所示,弯曲强度有限元模型中加载压头和支座均采用刚性圆柱代替,加载压头的半径为5mm,支座的半径为2mm.为了准确模拟三点弯曲强度试验中加载压头和支座对层合板弯曲试样的约束作用,在弯曲试样有限元模型和加载压头及支座之间建立刚性接触.一~一~~一~~一一一一~一~~~雠一%一。呲。㈣。酣一%一。帅帅帅帅模一场一。。oo。髓一%一。o。o,喜|÷oo㈨。表一%一。。㈣㈣,ⅢⅢ『一。。。万方数据第l期张阿樱,等:不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究・89・图1弯曲强度试验有限元模型2.3.2层间剪切强度有限元模型图2为采用ABAQUS软件建立的CFRP层合板层间剪切强度试验有限元模型.层间剪切强度试验的有限元建模方法与弯曲强度试验相同,有限元模型中加载压头和支座均采用刚性圆柱代替,加载压头和支座的半径均为2mm.图2层间剪切强度试验有限元模型3结果与讨论由于复合材料中的孔隙属于微观缺陷,且本试验采用的CFRP层合板的孔隙率值(0.33%一1.50%)较小,因此,本文将不同孔隙率织物纤维增强复合材料的基本强度系数(见表2)引入有限元模型,从宏观力学角度,利用有限元软件ABAQUS对不同孔隙率CFRP层合板建立宏观唯象静态力学强度预测模型.3.1不同孔隙率层合板弯曲强度预测图3为有限元计算得到的不同孔隙率的弯曲应力一位移曲线,在加载初期弯曲应力与加载压头位移基本成线性关系,弯曲应力达到最高点后均迅速降低,孔隙率较大的模型弯曲强度略小于孔隙率较小的模型,与弯曲强度试验结果相吻合.由于有限元模型为理想化模型,不存在局部缺陷或者薄弱带,因此,CFRP层合板弯曲强度的有限元模型计算值略大于弯曲强度的试验值(见表5).弯曲强度有限元计算值与试验结果误差较小,说明有限元计算中选用的失效准则和退化准则比较合理.图4为两种孔隙率的层合板弯曲试样受拉侧跨中位置处发生经向及纬向纤维破坏的有限元模拟结果,靠近层合板受拉侧的(0,90)铺层处发生严重分层,与弯曲强度试验结果相吻合.由图5可知,CFRP层合板弯曲强度试验破坏试样的破坏形式主要包括基体开裂、纤维断裂和纤维/基体分层等损伤形式.同受压侧相比,弯曲强度试验破坏试样受拉侧的损伤更为严重,且分层损伤主要沿着弯曲试样靠近受拉侧的(0,90)铺层方向扩展.与图5(a)中孔隙率为0.33%的弯曲破坏试样相比,图5(b)中孔隙率为1.50%的弯曲破坏试样的分层损伤程度更为严重.图3模拟弯曲强度试验应力一位移曲线表5弯曲强度试验值与有限元计算值~㈨~~㈣~(a)孔隙率为0.33%弯曲试样纵向纤维破坏;(b)孔隙率为1.50%弯曲试样纵向纤维破坏;(o)孔隙率为0.33%弯曲试样横向纤维破坏;(d)孔隙率为1.50%弯曲试样横向纤维破坏图4弯曲试样纤维破坏模拟结果图6为弯曲破坏试样基体纤维剪切破坏有限元模拟结果,可以看到,层合板弯曲试样靠近受压侧发生基体纤维剪切破坏,且(0,90)铺层处基体纤维剪切破坏最为明显.图7为弯曲破坏试样分层损伤有限元模拟结万方数据・90・材料科学与工艺第21卷果,可以看到,弯曲试样靠近受压侧发生分层现象,与图8中弯曲强度试验金相显微镜观察结果相符.图5不同子L隙率弯曲强度试验试样破坏形式图6弯曲破坏试样基体纤维剪切破坏模拟结果(bl-{L隙率为I50%图7弯曲破坏试样分层损伤模拟结果3.2不同孔隙率层合板层间剪切强度预测由表6可知,与CFRP层合板层间剪切强度的试验值相比,孑L隙率为0.33%、0.71%及1.50%的层间剪切强度有限元计算值的误差分别为3.95%、4.11%及4.73%.层间剪切强度有限元计算值与试验结果误差较小,说明有限元计算中选用的失效准则和退化准则比较合理.图8弯曲强度试验金相显微照片表6层间剪切强度试验值与有限元计算值图9为孔隙率分别为0.33%、0.71%及1.50%的层间剪切破坏试样损伤形式的有限元模拟结果.图9层问剪切破坏试样损伤形式模拟结果图9结果表明,层间剪切强度破坏试样通过万方数据第1期张阿樱,等:不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究・9l・目视难以观察到明显的损伤形式,但通过有限元方法能够分析CFRP层合板剪切破坏试样内部损伤的分布及孔隙率对冲击损伤投影面积的影响.4结论1)随着孑L隙率由0.33%增至1.50%,织物碳纤维增强环氧树脂(T300/914)层合板的弯曲强度及层间剪切强度均呈下降趋势.2)在适用于复合材料单向板改进的Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料的静态力学强度的失效准则.3)使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,对不同孔隙率的CFRP层合板的弯曲强度及层间剪切强度进行了较为准确的预测,说明有限元计算中采用的失效准则和退化准则比较合理,为预测不同孔隙率的复合材料层合板的力学性能提出一种有效方法.参考文献:[1]李明,马力,吴林志,等.含孔复合材料层合板拉伸强度研究[J].哈尔滨工业大学学报,2011,43—(s1):15.LIMiJlg,MALi,WULin-zhi,eta/.Tensilestmngthofcomp璐itelaminatedphtecontainingahole[J].JournalofHarbinImfimeof—Technology,2011,43(s1):15.[2]ATADERORA,KARBHARIVM.Calibrationofre.sistaneefictorsforreliabilitybaseddesignofexternal-ly-bondedFRPcomposites[J].Composites:PartB,—2008,39(4):665679.[3]MAROUANIS,CURTILL,HAMELINP.Compositesrealizedbyhandlay-upprocessinacivilengineeringenvironment:initialpropertiesanddurability【J].Ma-terialsand—Structures,2008,41(5):831851.[4]李趁趁,高丹盈,黄承逵.碳纤维与玻璃纤维增强聚合物复合材料耐久性[J].哈尔滨工业大学学报,—2009,41(2):150154.LIChen・chen,GAO—Danying,HUANG—Chengkui.Durabilityofcarbonandgl踮sfiberreinforcedpolymercomposites[J].JournalofHarbinInstitueofTechnolo-—gY,2009,41(2):150154.[5]BIRTEA,SMITHRA.AReviewofNDEmethodsforporositymeasurementinfibre・-reinforcedpolymercom-・—Ix)sites[J].NonDestructiveTestingandCondition—Monitoring,2004,46(11):681686.[6]PARKSY,CHOIWJ,CHOIHS.Theeffectsofvoidcontentsonthelong-termhygrothermalbehaviorsofglass/epoxyandGLARElaminates[J].Composite—Structures,2010,92(1):1824.[7]COSTAML,ALMEIDASFM,REZENDEMC.Theinfluenceofporosityontheinterlaminarshearstrengthofcarbonepoxyandcarbonbismaleimidefabriclami-nates[J].CompositesScienceandTechnology,2001,—61(14):21012108.[8]CHAMBERSAR,EARLJs,SQUIRESCA,eta1.Theeffectofvoidsontheflexuralfatigueperformanceofn-nidireetionalcarbonfibercompositesdevelopedforwindturbineapplications[J].InternationalJournalof—Fatigue,2006,28(10):13891398.[9]ALMEIDASFM,NETOZSN.Effectsofvoidcontentonthestrengthofcompositelaminates[J].Composite—Structure,1994,28(2):139148.[10]矫桂琼,贾普荣.复合材料力学[M].西安:西北工业大学出版社,2008:109.JIAOGui・qiong,JIA—Putong.MechanicsofCompos-ite’Materials[M].Xian:NorthwesternPolytechnicUniversityPress,2008:109.[11]SHOKRIEHMM,LESSARDLB.Progressivefatiguedamagemodelingofcompositematerial。partI:Model-ing[J],JournalofCompositeMaterials,2000,34—(13):10561080.(编辑吕雪梅)万方数据
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