含缺陷陶瓷基复合材料L形构件承载性能及破坏过程_周俊辰.pdf

复合材料科学与工程：.含缺陷陶瓷基复合材料 形构件承载性能及破坏过程周俊辰，耿 谦，段玉斌，王栋梁（.中国兵器工业试验测试研究院，渭南；.西安交通大学 航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室 先进飞行器服役环境与控制陕西省重点实验室，西安；.上海交通大学 机械与动力工程学院 机器人研究所 机械系统与振动国家重点实验室，上海）摘要：本文基于图像重构技术，构建了陶瓷基复合材料代表性体积单胞及 形构件的有限元模型，预测了陶瓷基复合材料的弹性模量。通过试验和数值仿真，研究了强制拉伸位移作用下 形构件的承载性能及破坏过程。结果表明，在缺陷对构件承载性能的影响规律方面，仿真结果与试验结果一致性较好，两者相差约。形构件内侧圆角区域主要承受拉伸作用，外侧主要承受压缩作用。内侧缺陷影响试样的承载性能，承载性能随缺陷面积的增大而降低；而外侧缺陷会影响试样的破坏过程，微观缺陷会扩展为宏观破坏，以材料脱层为主。本文的研究方法与结果可为陶瓷基复合材料典型构件承载性能的测试与分析提供参考。关键词：陶瓷基复合材料；形构件；承载性能；破坏过程；强度分析；准静态加载中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，；.，）：，：；收稿日期：作者简介：周俊辰（），男，硕士，助理研究员，主要研究方向为复合材料结构强度。通讯作者：耿谦（），男，博士，助理研究员，主要研究方向为复合材料结构分析与设计，.。年第 期含缺陷陶瓷基复合材料 形构件承载性能及破坏过程 具有轻质、高比强、耐高温等优异性能的陶瓷基复合材料在航天航空领域的应用越来越广泛。陶瓷基复合材料构件几何构型不同导致力学行为差异明显，且加工制造过程中产生的初始缺陷会影响其力学性能。因此，研究含缺陷陶瓷基复合材料构件的承载性能及其破坏过程，可为陶瓷基复合材料的结构设计提供参考依据。通过试验研究陶瓷基复合材料的力学特性，国内外学者已经做了大量工作。陈刘定等通过试验获得了平纹编织陶瓷基复合材料的型、型层间断裂韧度值及相应的破坏形式。等研究了在弯曲载荷作用下，陶瓷基复合材料工字梁的破坏行为。童小燕等结合扫描电子显微镜和声发射技术（，），研究了陶瓷基复合材料的拉伸破坏过程及损伤模式，发现基体开裂时的能量最低，碳纤维束断裂时的能量最高。等同时使用 技术和数字图像相关技术（，）原位监测 复合材料拉伸试验，发现基体裂纹的发生区域与材料孔隙区域有很好的相关性。等结合 技术和 技术，研究了陶瓷基复合材料损伤的演化过程。现有文献结合 技术和 技术，对复合材料拉伸、压缩和扭转损伤模式及破坏过程开展试验分析。周俊辰等结合 技术、技术和高速摄像技术，研究了典型机械载荷作用下树脂基复合材料 形板的承载性能及破坏过程。谭志勇等结合 复合材料拉伸破坏的 信号研究发现舱段的破坏多发生在拐角处。而 形构件可用于舱段拐角、结构连接等位置的补强，因此研究 形构件的承载性能可为舱段结构的设计、整体承载性能的提高提供有益参考。在复合材料强度数值分析方面，建立了纤维增强复合材料的失效准则。等基于三维 失效准则，采用刚度连续退化模型，对复合材料螺栓连接结构进行强度分析，发现数值结果与试验结果相符合。等修正了 失效准则中的纤维拉伸失效准则，并验证了其合理性。等基于 失效准则，对六种常用的复合材料螺栓连接结构进行了强度分析，与试验结果基本吻合。等比较了最大主应力准则、失效准则和 失效准则在陶瓷基复合材料模拟拉伸破坏过程中的适用性，针对 复合材料螺栓连接结构的破坏强度和破坏模式进行了数值仿真，其结果和试验结果对比，具有良好的一致性。目前的研究工作表明，失效准则适用于陶瓷基复合材料的强度分析，数值结果与试验结果吻合较好。现有文献一般采用三维建模构建有限元模型，基于 扫描图像重构可反映构件所含真实缺陷有限元模型的方法还较少。本文基于 图像构建陶瓷基复合材料代表性体积单胞及 形构件的有限元模型，真实反映出构件内存在的加工制备缺陷，并计算预测了陶瓷基复合材料的弹性模量。进而基于三维 失效准则，对所构建的有限元模型进行强度分析。同时开展拉伸位移作用下 形构件的力学性能试验，结合、和高速摄像技术原位监测加载过程。通过数值与试验结果，分析 形构件的承载性能及破坏过程。研究对象本文研究对象为一组真实陶瓷基复合材料 形构件，主要在舱段拐角、结构连接等位置承担补强作用，承受强制拉伸位移载荷。试样首先逐层堆叠平纹编织碳布，然后使用碳纤维束沿 向固定碳布，最后通过液相渗透技术在堆叠的平纹编织碳布中引入 基体，得到陶瓷基复合材料平板试样，最后切割平板试样制成 形构件。其中 向碳纤维束仅起到固定堆叠碳布的作用，向的碳纤维含量很低，其体积分数可以忽略不计。试样边长为 ，宽度为，厚度为，内部圆角半径约为。由于不同组分材料的密度不同，其 扫描图像中的灰度值不同，以 图像中单个或多个像素点集合的灰度值为区分标准，可在材料的不同厚度位置进行有限元模型的二维重构，对得到的二维有限元模型依次进行插值连接，可获得三维有限元模型。采用此方法，构建了试样的有限元模型，如图 所示。该模型的单元总数量约为 万，其中分层缺陷的单元数量约为 万，体积分数约为.。图 形构件.通过金刚石线切割机，得到了陶瓷基复合材料的代表性体积单胞，其长宽高均为 ，如图 所示。经 扫描后，获得陶瓷基复合材料的微观结构，包括陶瓷基体、碳纤维及所含缺陷的分布和碳纤 年 月复合材料科学与工程维束编织方式。同时重构了陶瓷基复合材料代表性体积单胞的有限元模型，共计约有 万个有限元单元。代表性体积单胞的横、纵向纤维的体积分数基本一致，符合平纹编织陶瓷基复合材料中碳纤维的分布，缺陷的体积分数约为.，如表 所示。图 代表性体积单胞.表 陶瓷基复合材料各组分占比 单元类型单元数量 个体积分数 缺陷单元 横向纤维单元 纵向纤维单元 基体单元 首先计算预测陶瓷基复合材料的弹性模量。碳纤维及 基体的力学参数如表 和表 所示，横向纤维束坐标系的 方向与全局坐标系的 方向平行，纵向纤维束坐标系的 方向与全局坐标系的 方向平行。表 碳纤维的材料力学性能 参数数值参数数值 表 基体的材料力学性能 参数数值弹性模量 泊松比 图 为进行数值分析时代表性体积单胞有限元模型的边界条件。根据公式（）计算陶瓷基复合材料的弹性模量。（）式中：为杨氏模量；为截面反力；为截面面积；为拉伸位移；为材料宽度尺寸。计算得到的陶瓷基复合材料三个方向的弹性模量如表 所示，与现有文献中陶瓷基复合材料弹性模量进行对比，由于材料性能的离散性、试样的加工精度、误差的离散性、碳纤维和加载方向存在角度等因素均会不同程度影响复合材料弹性模量，因此认为本文数值计算得到的弹性模量是可以接受的。图 边界条件.表 陶瓷基复合材料的弹性模量 方向拉伸应变率 拉伸面反力 弹性模量 方向 方向 方向 试验测试方案本文设计了如图 所示的测试系统，通过 试验机施加纵向强制拉伸位移，加载速率为.，加载总量为 ，结合、高速摄像及 技术监测加载过程。图 测试系统.在试样一侧表面预制散斑，（）相机以每秒 张的速度捕捉散斑的位移。通过 非接触全场应变测量系统中的二维模块处理所采集的图像信息，得到试样变形场。采用 高速摄像机，以每秒 张的 年第 期含缺陷陶瓷基复合材料 形构件承载性能及破坏过程速度捕捉试样表面的裂纹萌生和扩展等破坏行为。在试样另一侧，布置涂有硅脂耦合剂的 传感器，实时获取构件内 信号。数值分析方法本文基于三维 失效准则，各失效形式的判据如表 所示，编写有限元软件 的 用户子程序，其分析流程如图 所示。调用时可分为三个步骤：读入单元参数、更新应力应变、失效判断与删除。在每一个载荷增量步中，若有单元发生材料失效，则在有限元模型中删除相应单元，否则增加载荷进入下一增量步，直至单元失效累积，发生整体结构失效，最终获得构件的承载力和缺陷演化过程。表 三维 失效准则 失效形式失效准则经向拉伸（）()经向压缩（）()纬向拉伸（）()纬向压缩（）()层间拉伸（）()()()层间压缩（）()()()注：、分别为复合材料经向、纬向和层间应力；、为复合材料剪切应力；、分别为复合材料经向、纬向和层间拉伸强度；、为复合材料经向、纬向和层间压缩强度；、为复合材料面内剪切强度。图 用户子程序流程图.基于 子程序，对所构建的含缺陷 形构件有限元模型进行强度分析，陶瓷基复合材料力学性能如表 所示。表 材料力学性能 参数数值参数数值 形构件力学性能.形构件承载性能分析依据所设计的试验方案，对三个构件（分别称为试样、试样 和试样）进行拉伸试验，获得各试样的承载性能，如表 所示。表 试样的承载性能 试样拉伸极限承载力 拉伸极限承载力时位移 刚度折减 试样 试样 试样 各试样试验和数值分析所得载荷位移曲线对比如图 所示。由图 可以发现，在缺陷对构件承载性能的影响规律方面，数值仿真结果与试验结果一致性较好，两者相差约，考虑到陶瓷基复合材料性能的离散性，认为该误差可以满足工程应用。图 形构件试验与数值分析的载荷位移曲线对比.形构件承载初期载荷位移曲线斜率的预测结果与实测结果吻合较好，表明本文计算所得陶瓷基复合材料弹性模量与所用复合材料的实际值相差 年 月复合材料科学与工程较小。试验中，各试样在达到极限承载力前均发生了明显的刚度折减，而数值分析时，认为材料达到强度极限后完全失效，刚度为零，没有考虑材料完全失效前的刚度退化过程，导致试样在达到极限承载力前，没有出现明显的刚度折减。试样 和试样 的 图像表明其所含初始分层处于试样内侧靠近夹持端的位置，如图（）和图（）所示，其中试样 的缺陷面积更大；图（）所示初始分层位于试样 内侧靠近圆角中部。在上述三个试样中，试样 与试样 内侧圆角处的分层缺陷面积较大，但试样 的更靠近内侧圆角，其承载能力最低，表明当缺陷位于 形构件的内侧圆角时，会影响试样的承载能力。图 形构件 图像.形构件破坏过程分析试样、试样 和试样 的拉伸破坏过程基本一致。以试样 为例，在加载初期，形构件的承载力随强制位移的增加大致呈线性关系，其刚度几乎不发生折减。试样拉向变形区域基本保持对称分布，如图（）所示。试样内侧圆角区域主要承受拉伸作用，外侧主要承受压缩作用，其内侧圆角中心处的面内拉应变最大。当强制位移增加至.时，试样拉向变形区域逐渐失去对称性，内侧圆角中心处的最大拉向变形向两侧偏移，如图（）所示，其内侧圆角处发生拉伸损伤，外侧发生压缩损伤，试样刚度开始折减，承载力与变形呈非线性关系。（）加载 （）加载 图 试样 拉向变形.同时捕获到零星的高能 信号，如图 所示，该信号能量主要集中在.附近范围，其频率特性与陶瓷基复合材料拉伸试验基本吻合。该个别零星高能信号是由于试样在局部高应变区发生了一定程度的突发性宏观损伤，其刚度发生折减，但试样整体还具备一定的后续承载能力。（）时域信号（）频域信号图 试样 拉伸破坏过程中 信号.当强制位移增加至.时，试样 内侧圆角处出现长度约为 的裂纹，如图 所示，相应位置的拉向应变值相对较高，此时 形构件所承受 年第 期含缺陷陶瓷基复合材料 形构件承载性能及破坏过程的载荷约降低.。进而试样内侧圆角处的微小裂纹在极短时间内迅速沿试样宽度方向扩展，但未完全贯穿试样，如图 所示。图 试样（加载 ）.（）图 试样（完全断裂前）.（）将试样从 试验机和夹具中取下后，观察发现各试样所产生的裂纹在厚度方向上完全贯穿，而在宽度方向上并没有完全贯穿，破坏范围约占 形构件宽度的三分之二，各试样仍为一个整体，但已完全失去承载能力。由于初始缺陷位于 形构件的主要承载区域，试样仅在该区域发生破坏，且裂纹沿着纤维的铺层方向扩展，破坏过程表现出明显的非对称性，数值仿真得到的破坏萌生和扩展过程，与观测到的试验现象相符，如图（）所示。试样断裂的方向与纤维的铺层方向一致，其破坏的主要形式为纤维束的断裂、剥离，这与试验结果也比较吻合，如图（）所示。图 形构件拉伸破坏形式.另外，当强制位移达到.时，试样 外侧承载局部压缩载荷的区域出现了局部应变突变，如图（）所示。试验后观察试样，发现之前应变发生突变的区域出现了明显的材料分层，这主要是因为该区域试样的初始