《复合材料与粘弹性力学 第2版 教学课件 ppt 作者 张少实 第7章 复合材料力学的几个专题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料与粘弹性力学 第2版 教学课件 ppt 作者 张少实 第7章 复合材料力学的几个专题（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 复合材料力学的几个专题,7.1 纤维端部的应力与应变分布 7.2 短纤维复合材料 7.3 复合材料的疲劳 7.4 结论与讨论,图7-1 纤维端部的应力与应变分布,7.1 纤维端部的应力与应变分布,短纤维（不连续纤维）增强复合材料受力时，力学特性与长纤维不同。该类材料受力基体变形时，短纤维上应力的分布载荷是基体通过界面传递给纤维的。在一定的界面强度下，纤维端部的切应力最大，中部最小。而作用在纤维上的拉应力是切应力由端部向中部积累的结果。所以拉应力端部最小，中部最大。,7.2 短纤维复合材料,7.2.1 短纤维复合材料的刚度预测,作用在短纤维上的平均拉应力为 为图中l0/2线段上的面积与（
2、f,max乘以l0/2积）之比值。 当基体为理想塑性材料时，纤维上的拉应力从末端为零线形增大，则=1/2，因此,ll0,l=l0,L l0,l/2,max,若基体屈服强度为my，则纤维临界尺寸比为 当基体为弹性材料时， 式中 短纤维增强复合材料的拉伸强度为 式中fF为纤维的平均拉伸应力，m*为与纤维的屈服应变同时发生的基体应力。 l/lc越大，复合材料的拉伸强度也越大。 Lc/2l 1时，上式变为连续纤维的强度公式。当l=lc时，短纤维增强的效果仅有连续纤维的50%。l=10lc时，短纤维增强的效果可达到连续纤维的95%。所以为了提高复合材料的强度，应尽量使用长纤维。,复合材料力学行为的核心：
3、基体与增强体进行载荷分配。 混合定律： 外加载荷等于基体和增强体按体积平均载荷的总和。,7.2.2 短纤维复合材料强度预测,1.连续纤维增强金属基复合材料的强度,主要靠连续纤维承受外加载荷 金属基体作为传递和分散载荷的媒体 纤维增强金属基复合材料的破坏，主要是由纤维断裂所引起。 对片层金属基复合材料，抗拉强度Cu为： fu为纤维拉伸强度， M*为纤维断裂时金属基体的拉伸强度。,最小体积分数f： 当纤维体积分数f很小时，由混合定律算出的失效应力比相应于以孔洞取代纤维的金属基体值还小。这是不真实的。 f须大于f 对于纵向弹性模量，也可使用混合定律。,2.非连续金属基复合材料的强度,混合定律应用于短
4、纤维（包括晶须）时，应考虑长度对直径比L/d和基体抗剪强度。 短纤维长度不同时，最终表达式不同。 若纤维长度L小于临界长度Lc，则纤维的最大应力达不到纤维的平均强度，纤维不会断裂，破坏是由于界面或基体破坏所造成的。 若纤维长度L大于临界长度Lc，纤维的应力达到平均强度时，材料开始断裂。 短纤维的增强作用不如连续纤维有效，因此短纤维的f比连续纤维的高。,3.颗粒增强金属基复合材料的强度 强化机制是弥散强化 复合材料破坏从颗粒界面开始，表现为界面破坏或颗粒脱落 切应力导致颗粒破坏，引起材料变型,用S-N曲线来描述复合材料的疲劳行为时，一般是以试样完全破坏作为失效基准。复合材料的S-N曲线受各种材料
5、的、试验的因素影响。例如，材料方面的因素有组分材料的性能、铺层方向及顺序、增强纤维的体积含量和界面结构等，试验方面的因素如载荷形式、平均应力和切口、频率、环境条件等。,7.3.1 疲劳性能及其影响因素,7.3 复合材料的疲劳,单向复合材料及铝合金的S-N曲线 1-Kevlar-49/环氧；2-硼纤维/环氧；3-S玻璃纤维/环氧；4-2023-T3铝合金；5-E玻璃纤维/环氧,不同铺层结构玻璃纤维层合板的S-N曲线 1-无纺单向；2-无纺偏轴5；3-无纺85单向；4正交铺层（50/50）；5-181玻璃布；6-随机玻璃短纤维,图7-2 复合材料与金属材料的疲劳性能,如图所示，用高模量纤维如硼纤维
6、、Kevlar纤维或碳纤维等增强的复合材料，当在纤维方向试验时，复合材料显示出极好的抗疲劳性。图中R为最小应力与最大应力的比值。虽然高模量单向复合材料横向拉伸疲劳行为与玻璃纤维复合材料相差无几，但其纵向抗疲劳性能要好得多。当复合材料在纤维方向承受疲劳载荷时，高模量纤维可使基体产生较小的应变。,单向复合材料的拉伸强度在纤维方向是最大的，因此能承受较高的拉伸疲劳载荷。然而，与多向层合板相比，单向复合材料的疲劳特性并不是最佳的。横向强度低以及不良的试验条件等容易引起复合材料沿纤维方向发生纵向开裂。如果增加一些90方向的铺层，可以避免纵向开裂。,如图为不同结构形式层合板的S-N曲线。可见，加入适量90
7、铺层或采用5对称铺层结构的层合板较单向层合板的拉伸疲劳特性能有所改进。等量的0和90铺层构成的正交铺层层合板的疲劳强度明显高于玻璃布铺层层合板。由于无纺材料中纤维处于平行和舒直状态，不象编织物中纤维那样弯曲，所以一般而言，无纺材料在抗疲劳性方面优于编织材料。,1. 平均应力或应力比的影响,R0、R0影响趋势不同。,R0的情况,低速率区，R，Kth。,R0的情况：负应力存在， 对da/dN三区域的影响不同。 情况比R0时复杂得多。,有经验关系为： Kth= K0th(1-R) Koth是R=0时的基本门槛应力强度因子幅度。 参数、由实验确定。 图中钢材的下限为： Kth=7.03(1-0.85R
8、),但是，在高温或腐蚀环境下，频率及波形对da/dN的影响显著增大，是不容忽视的。,2. 加载频率的影响,30Cr2WmoV钢(30万千瓦汽轮机高压转子钢)频率影响实验。,低速区：加载频率对da/dN基 本无影响。 中速率区：f，da/dN。有： da/dN=C(f )(K)m=(A-Blgf)(K)m,在室温、无腐蚀环境中，f=0.1100Hz时, 对da/dN的影响可不考虑。循环波形影响是更次要的。,腐蚀介质作用下，裂纹可在低于K1C时发生扩展。试件加载到K1，置于腐蚀介质中。记录裂纹开始扩展的时间tf。,腐蚀疲劳是介质引起的腐蚀破坏过程 和应力引起的疲劳破坏过程的共同作用。 这二者的共同
9、作用，比任何一种单独作用更有害。,1） 应力腐蚀开裂 (Stress corrosion cracking),3. 腐蚀环境对da/dN的影响,K1 K1scc，tf，(约1000小时)。 K1scc是应力腐蚀开裂门槛值。 K1K1scc不发生应力腐蚀开裂。,(da/dN)CF与K的关系如图，可分为三类：,2）腐蚀疲劳裂纹扩展速率 (da/dt)CF,加载频率越低，腐蚀过程越充分，(da/dN)CF越快。,在有切口的试样中，切口周围容易产生复合应力和出现应力集中。疲劳加载时，试样内部的损伤使得缺口周围的应力重新分配，所以很难用无切口闭幕式样的疲劳强度估算切口试样的疲劳强度。但是，大多数复合材料
10、层合板的疲劳数据表明，切口（圆孔或裂纹）对疲劳强度的影响并不显著。复合材料切口试样良好的抗疲劳性主要是由于损伤缓和了切口尖端附近的应力集中。,湿度和温度不仅影响材料的固有强度，也影响材料的应力状态。升高温度或湿度，常常会降低受基体影响较大的铺层横向强度和剪切强度，因而也使得剩余强度下降。吸湿还会降低聚合物基体的玻璃化转变温度，影响玻璃纤维的耐腐蚀性。试验表明，低温对复合材料疲劳寿命的影响几乎可以忽略，而室温下湿度对碳纤维复合材料疲劳寿命的影响亦很小。,给定a， , da/dN ； 给定, a, da/dN 。,讨论张开型 (I型) 裂纹。 arp，LEFM力学可用。,a N曲线,疲劳裂纹扩展控
11、制参量,aN 曲线的斜率，就是裂纹扩展速率da/dN。,7.3.2 复合材料疲劳寿命的预测,裂纹只有在张开的情况下才能扩展， 故控制参量K定义为： K=Kmax-Kmin R0 K=Kmax R0,疲劳裂纹扩展速率da/dN的控制参量 是应力强度因子幅度 K=f(,a)，即： da/dN=(K,R,),应力比 R=Kmin/Kmax=min/max=Pmin/Pmax； 与K相比，R的影响是第二位的。,疲劳裂纹扩展速率FCGR,Fatigue Crack Growth Rate,R=0 时的da/dN-K 曲线，是基本曲线。,实验 a =a0 R=0 =const,1. da/dN-K曲线,低
12、、中、高速率三个区域：,微解理为主,微孔聚合为主,条纹为主,三种破坏形式:,Paris公式： da/dN=C(K)m,2. 裂纹扩展速率公式,K是疲劳裂纹扩展的主要控制参量； 疲劳裂纹扩展性能参数C、m由实验确定。,3. 扩展速率参数C,m的确定,实验 a =a0 R=0 ,累积损伤理论,Miner从数学上定义，材料在应力水平下的疲劳寿命为N，当在此应力水平下受载n周时，材料的损伤为。显然D=1时材料破坏。,3.剩余强度(Residual,材料损伤随疲劳周数增加而发展，材料是由于内在缺陷的发生与发展而破坏的，而这些缺陷的发生与发展，取决于载荷、环境等外在因素。就材料整体而言，缺陷可以采用累积损
13、伤D来表征。在另一方面，使材料破坏的临界载荷随裂纹长度的增加而降低。从累积损伤的观点来看，材料的强度是随着累积损伤D的增大而降低的。,剩余强度定义,含裂纹结构在使用期中任一时刻所能达到的静强度值称为结构的剩余强度。,最小剩余强度要求,结构剩余强度最小要求是结构类型和可检度的函数： 完整结构的最低剩余强度至少是设计极限载荷； 对于场站或基地级检查的结构，最低剩余强度不低于设计极限载荷； 当检查周期或未修使用周期缩短，飞机在检修周期内遇到高载荷的概率减小，其剩余强度要求将低于设计极限载荷。,剩余强度可根据特定飞机任务中所得到的载荷谱数据来确定。,剩余强度的最低要求由内部元件载荷Psyu确定， Psyu表示飞机在规定检查间隔内可能遇到的最大载荷，其值根据载荷谱确定，飞机载荷谱制定是以代表飞机平均使用情况的基本载荷系数的超越数为基础，采用放大检查周期的做法考虑个体飞机的差异。,最小剩余强度要求的确定,最小剩余强度要求的确定,7.4 结论与讨论,在纤维增强复合材料中，纤维会破断成不连续的若干段纤维，致使复合材料中存在着纤维端部区域和纤维端部效应。纤维端部区域很高的切应力会导致：界面的剪切脱粘；基体内聚破坏；纤维内聚破坏；基体剪切屈服等。因而，纤维端部效应，使得纤维增强效果随着纤维平均长度的减小而下降。这样，纤维的长度必须大于其临界长度时，纤维才具有增强效果。,
