碳纤维复合材料纵向拉伸失效机制
开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析
ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期: ２０２１ － ０６ － ０５
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( Ｎ２１２３０２８) ꎻ 河北省自然科学基金青年基金资助项目( Ｅ２０２１５０１０１１) .
行为. 通过对三种单元模型进行模拟ꎬ结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更
易失效ꎬ成为裂纹源ꎻ在层合板失效过程中ꎬ都呈现“ Ｘ 形” 向“ 沙漏形” 失效发展趋势ꎬ最终沿宽度方向断裂ꎻ
实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值ꎬ三种单元模拟极限失效载荷与实
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｉｆｆｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｂｙ ２６ １％ꎬ ３１ １％ꎬ ａｎｄ ８ ６４％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
提出了
响应. 综上ꎬ可以看出 Ｈａｓｈｉｎ 准则对于复合材料
参数化三维逐渐损伤模型ꎬ采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 准则
的模拟效果较好ꎬ但目前学者利用 Ｈａｓｈｉｎ 准则进
载荷作用下的分层扩展行为. 王丹勇等
和直接折减退化材料属性来模拟含中心圆孔层合
板准静态拉伸失效. 吴悦雷
[５]
采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 失
限承载能力. 但其应用的失效准则形式更接近于
三维情况下的 Ｃｈａｎｇ － Ｃｈａｎｇ 失效准则ꎬ且最后
电阻法研究单向炭纤维复合材料的拉伸破坏行为
第21卷第4期高分子材料科学与工程Vo l.21,N o.4 2005年7月POLYM ER M AT ERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Jul.2005电阻法研究单向炭纤维复合材料的拉伸破坏行为毛亚琴1,于运花1,张荣成2,武德珍1,杨小平1(1.北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029; 2.中国建筑科学研究院建筑结构研究所非破损检测室,北京100029)摘要:采用单向炭纤维增强树脂(简称CFRP)拉挤复合材料,通过在线检测单向CFR P复合材料在受拉伸应力作用下电阻随时间的变化,并借助扫描电镜和红外热像分析仪对复合材料的破坏行为进行观测。
结果表明,CF RP复合材料在受力过程中,当拉伸速度较快时,试样的体积电阻随应力增加持续降低,在试样断裂前降至最低,但在试样断裂瞬间急剧增加;当拉伸速度较慢时,拉伸前期的电阻随应力增加不断降低,在断裂发生前电阻发生较大幅度的振荡。
通过扫描电镜和红外热像无损检测技术佐证,电阻的变化可反映CF RP复合材料在拉伸过程中发生的内部结构变化,具有结构健康监控的特征。
关键词:炭纤维增强树脂;纵向体积电阻;拉伸破坏行为;红外热像无损检测;结构健康监测中图分类号:O631.2+1 文献标识码:A 文章编号:1000-7555(2005)04-0248-04 炭纤维是一种电导率在1 cm～1.5×10-3 cm的导电材料,因此,炭纤维增强树脂基复合材料(简称CFRP)可以利用炭纤维的导电性将其作为传感元件,发展成为一种本征智能化结构材料,避免了异质传感器的引入造成材料性能的下降。
利用炭纤维的导电性进行CFRP复合材料的结构健康监控新方法的研究,国外主要采用环氧树脂基CFRP模压复合材料,利用其在各种载荷下电阻信号的变化来反映其受力状态下内部结构的变化[1～3],国内关于这方面的研究才刚刚开始[4,5]。
本文以乙烯基酯树脂基炭纤维拉挤复合材料为研究对象,对电阻法监测其拉伸破坏行为的敏感性、电阻-材料内部结构变化进行了初步研究,试图建立该种材料的结构-电阻变化之间的关系,为CFRP复合材料的自诊断和结构健康监控技术的研究提供基础理论。
碳纤维复合材料的力学性能研究
碳纤维复合材料的力学性能研究随着科学技术的不断发展，碳纤维复合材料作为新一代优良的结构材料，受到了广泛的关注。
其独特的力学性能使其在航空、航天、汽车、体育器材等领域有广泛的应用。
本文将对碳纤维复合材料的力学性能进行研究。
材料的力学性能是评价其质量的关键指标之一。
碳纤维复合材料由纤维基体和树脂基体组成，两者相互配合，使其具备高强度、高刚度、低密度等优良的力学性能。
其中，纤维基体主要由碳纤维组成，其强度和刚度是影响材料性能的关键因素之一。
在研究碳纤维复合材料的力学性能时，人们通常会关注其拉伸性能、弯曲性能和压缩性能等方面。
首先，拉伸性能是指材料在外力作用下的抗拉强度和断裂延伸率。
碳纤维本身具备很高的强度和刚度，使得复合材料在拉伸载荷下表现出较好的抗拉性能。
其次，弯曲性能是指材料在弯曲作用下的变形能力。
碳纤维复合材料的高刚度使其在承受弯曲载荷时产生较小的挠度，从而具备较好的抗弯性能。
最后，压缩性能是指材料在承受压缩力时的变形能力。
由于复合材料的低密度和高刚度，使得其在承受压缩载荷时具备出色的抗压性能。
除了上述力学性能外，碳纤维复合材料还具备疲劳性能和冲击性能等特点。
疲劳性能是指材料在多次循环荷载下的耐久性能。
由于碳纤维的高强度和良好的疲劳寿命，使得复合材料在长时间循环荷载下仍然能够保持较好的性能。
冲击性能是指材料在受到突然冲击时的抵抗外力的能力。
由于碳纤维具备较高的强度和韧性，使得复合材料具备较好的抗冲击能力。
为了进一步提高碳纤维复合材料的力学性能，人们进行了各种探索和研究。
例如，通过改变纤维的取向和层片的排列组织方式，可以提高复合材料的强度和刚度。
同时，通过改变树脂基体的成分和添加剂，可以改善复合材料的韧性和耐疲劳性能。
此外，人们还通过研究纳米材料在碳纤维复合材料中的应用，进一步改善了其力学性能。
综上所述，碳纤维复合材料具备优良的力学性能，其拉伸性能、弯曲性能和压缩性能等方面表现出色。
同时，其具备较好的疲劳性能和冲击性能。
胶接碳纤维复合材料层合板拉伸性能及有限元模拟_张明星
胶接碳纤维复合材料层合板拉伸性能及有限元模拟张明星*（中国商飞上海飞机设计研究院，上海200232）摘要：使用自动铺带工艺制得胶接的碳纤维复合材料层压板试验件，通过轴向拉伸测试，测得了整个试验件的载荷-位移曲线和检测点附近的应变-载荷曲线。
试验结果表明，在拉伸载荷作用下试件发生层间剪切破坏，由于胶层的剪切强度高于层合板的层间剪切强度，破坏并没有发生在胶接面内，而是发生在胶层以外的层合板的层间。
建立了相应的有限元模型，模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。
关键词：胶接；应变；破坏模式；有限元分析中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003－0999（2012）04－0036－05收稿日期：2012-04-22作者简介：张明星（1982-），男，博士，主要从事纤维增强复合材料研究。
1引言胶接连接因其工艺简单、成本低廉、具有能保持纤维连续性的特点而在飞机复合材料结构中被广泛应用［1 3］。
而胶接连接复合材料的历史文献大多集中在假设胶层发生剪切变形情况下的搭接区两端的应力分布［4 17］。
本文以刚度平衡的胶接连接碳纤维复合材料试验件为研究对象，对其进行了轴向拉伸测试，得出了搭接件上两端和中间区域的应力分布。
在考虑搭接件轴向变形情况下，建立了复合材料层压板胶接连接的有限元模型，并比较了有限元模拟结果和试验结果，模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。
2试验#."材料本试验采用的材料为碳纤维单向带，其材料常数如表1所示。
表1碳纤维单向带材料常数Table 1Material performance of carbon tapeE 11/GPa E 22/GPa E 33/GPa υ12υ13υ23G 12/GPa G 13/GPa G 23/GPa 1758．378．370．340．340．344．494．493．5#.#试验件设计与制备试验件搭接区长度为200mm ，宽度为80mm ，厚度为3.8mm ；每端加厚区长度为195mm ，宽度为87.6mm ，端头厚度为11.4mm 。
复合材料纤维束失效与损伤机制研究
复合材料纤维束失效与损伤机制研究复合材料是由两种或多种不同的材料组合而成的材料，具有高强度、轻质等优点，在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域得到广泛应用。
而复合材料的纤维束作为其主要强化材料之一，其失效和损伤机制的研究对于提高复合材料的性能和延长其使用寿命具有重要意义。
纤维束在复合材料中起到强化和增强的作用，对于承载结构的性能具有重要影响。
因此，研究纤维束的失效与损伤机制可以为优化复合材料的设计和制造提供指导。
首先，纤维束的失效与损伤机制与其所处的应力环境密切相关。
在受到外部载荷作用下，纤维束会承受拉伸、压缩、剪切等多种应力。
纤维束断裂是其主要的失效模式之一。
断裂可以发生在纤维束内部，也可以发生在纤维束与基体之间的界面处。
此外，纤维束还可能出现脱粘、剥离、磨损等损伤现象，这些都会导致纤维束的性能下降。
其次，纤维束的失效与损伤机制还与复合材料制备工艺和纤维束的界面结构等因素有关。
制备工艺中的温度、压力、固化时间等参数会对纤维束的结构和性能产生影响。
纤维束与基体之间的界面结构也会影响纤维束的失效和损伤行为。
因此，研究纤维束的失效与损伤机制需要考虑到这些关键因素。
研究纤维束的失效与损伤机制可以通过多种手段和方法来进行。
例如，可以利用扫描电镜等显微分析技术观察和分析纤维束的断裂、脱粘、剥离等损伤形态。
纤维束力学性能测试可以测量纤维束的拉伸、压缩、屈曲等力学性能，进一步了解其失效行为。
同时，数值模拟方法也可以在一定程度上揭示纤维束的失效与损伤机制，并对其进行预测和优化设计。
在研究纤维束的失效与损伤机制时，还需要考虑纤维束与基体之间的相互作用。
因为纤维束与基体之间的结合强度和界面完整性直接影响着纤维束的性能。
因此，有必要对纤维束与基体之间的相互作用进行研究，包括界面力学性能测试、界面粘接强度分析等。
最后，研究纤维束的失效与损伤机制还可以通过改善纤维束的材料和结构设计来实现。
例如，选择合适的纤维和基体材料，调整纤维束的层数和间距，优化纤维束的几何形状等，都可以改善纤维束的性能和延长其使用寿命。
单向碳碳复合材料高温拉伸行为失效机理研究
引言随着科技的不断发展和应用的广泛，单向碳碳复合材料因其高强度、高刚度和高温稳定性等优良性能，被广泛应用于航空航天、能源和汽车等行业。
虽然单向碳碳复合材料具有良好的工程性能，但在高温环境下，其力学性能容易受到影响，导致力学性能下降和变形失效。
因此，研究单向碳碳复合材料在高温环境下的力学性能和失效机理，对于开发高性能单向碳碳复合材料至关重要。
本文主要介绍单向碳碳复合材料的高温拉伸行为失效机理研究，包括单向碳碳复合材料的组成、力学试验方法和高温拉伸行为失效机理研究的结果。
同时，还会介绍单向碳碳复合材料在高温环境下的变形和失效机理的分析和研究。
一、单向碳碳复合材料的组成单向碳碳复合材料由高强度和高弹性模量的碳纤维及其矩阵材料组成。
碳纤维约为80%的体积分数，碳矩阵则为20%的体积分数。
在碳纤维的方向上，单向碳碳复合材料具有高强度和高刚度的特性。
碳矩阵具有良好的高温稳定性，能够保证单向碳碳复合材料在高温条件下的性能和寿命。
二、力学试验方法本研究采用了高温拉伸试验方法对单向碳碳复合材料进行了力学性能测试。
采用了高温拉伸试验机，以不同的温度和拉伸速率对单向碳碳复合材料进行了拉伸试验。
力学性能包括拉伸应力-应变曲线、拉伸强度、拉伸模量等指标。
同时，为了研究单向碳碳复合材料在高温环境下的失效机理，还使用了扫描电镜（SEM）等技术对试样进行了显微结构观察和分析。
三、高温拉伸行为失效机理研究结果通过高温拉伸试验和显微结构观察，发现单向碳碳复合材料在高温环境下存在显著的失效机理和变形特性。
主要表现为以下两个方面：1. 碳化现象在高温和高应力作用下，碳纤维和碳矩阵材料之间发生化学反应，导致材料表面出现碳化现象。
碳化现象使得单向碳碳复合材料的强度和韧性降低，同时也对材料的高温稳定性造成影响。
2. 碳化物和孔隙在高温作用下，单向碳碳复合材料中会出现碳化物和孔隙。
碳化物的出现使材料的强度和韧性减少，同时孔隙会导致应变和变形集中，从而导致单向碳碳复合材料的断裂和失效。
碳纤维复合材料的拉伸强度
碳纤维复合材料的拉伸强度引言碳纤维复合材料是一种具有优异力学性能和轻质化特点的新型材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育用品等领域。
其中，拉伸强度是评价碳纤维复合材料性能的重要指标之一。
本文将详细介绍碳纤维复合材料的拉伸强度及其相关知识。
1. 拉伸强度的定义拉伸强度是指材料在拉伸过程中所能承受的最大拉力。
它是材料抵抗拉伸破坏的能力的一个重要参数。
通常以标称断裂强度来表示，单位为MPa。
2. 碳纤维复合材料的构成和制备碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体组成。
碳纤维是一种由碳元素组成的纤维状材料，具有高强度和高模量的特点。
树脂基体则起到支撑和保护碳纤维的作用。
制备碳纤维复合材料的过程主要包括以下几个步骤：1.碳纤维预处理：将原始碳纤维进行表面处理，提高其与树脂基体的黏结性；2.预浸料制备：将经过预处理的碳纤维浸渍于树脂基体中，形成预浸料；3.预浸料层叠：将多层预浸料叠加在一起，形成复合材料板材；4.热压固化：将复合材料板材放入热压机中进行高温高压的热固化处理；5.加工成型：根据产品的需求，对固化后的复合材料进行切割、成型等加工工艺。
3. 影响拉伸强度的因素碳纤维复合材料的拉伸强度受到多种因素的影响，主要包括：3.1 纤维性能碳纤维的性能直接影响到复合材料的拉伸强度。
碳纤维的强度和模量决定了复合材料的整体性能。
通常采用高强度、高模量的碳纤维可以提高复合材料的拉伸强度。
3.2 纤维体积分数纤维体积分数是指在复合材料中纤维的体积占比。
增加纤维体积分数可以提高复合材料的拉伸强度，因为纤维是主要承载力的成分。
3.3 树脂基体性能树脂基体的性能对拉伸强度也有一定的影响。
具有较高强度和良好黏结性的树脂基体可以提供更好的支撑和保护作用，从而提高复合材料的拉伸强度。
3.4 加工工艺碳纤维复合材料的制备过程中的加工工艺也会对拉伸强度产生影响。
合理的加工工艺可以保证复合材料的均匀性和一致性，从而提高拉伸强度。
4. 测定拉伸强度的方法测定碳纤维复合材料的拉伸强度通常采用万能材料试验机进行拉伸试验。
碳纤维复合材料的失效机理研究
碳纤维复合材料的失效机理研究碳纤维复合材料是一种应用广泛的高性能材料，具有轻质、高强度和高刚度的特点。
它经常被用于航空航天、汽车和体育器材等领域。
然而，由于其复合结构的特殊性，碳纤维复合材料也存在失效机理的问题。
本文将深入探讨碳纤维复合材料的失效机理。
首先，我们需要了解碳纤维复合材料的组成结构。
它是由碳纤维和树脂基体组成的复合材料。
碳纤维是主要的载荷传递成员，而树脂基体则起着粘合和保护纤维的作用。
由于这两种成分的不同特性和材料接触面的存在，碳纤维复合材料在外部力作用下会产生各种失效，主要包括纤维破坏、界面剥离和树脂基体失效。
碳纤维的破坏是碳纤维复合材料最常见的失效形式之一。
由于碳纤维是高强度材料，能够承受较大的拉伸和压缩力。
但在实际应力环境中，碳纤维容易发生断裂，尤其是受到冲击或者扭转力的作用下。
碳纤维的断裂会导致整个材料的强度和刚度丧失，进而影响到整个结构的使用性能。
界面剥离是碳纤维复合材料另一个常见的失效形式。
碳纤维和树脂基体之间的黏附力是衡量复合材料性能的重要指标之一。
当复合材料遭受外界力的作用时，碳纤维和树脂基体之间的黏附力容易发生损伤，形成界面剥离的情况。
界面剥离会导致材料结构变得脆弱，从而降低材料的强度和刚度。
树脂基体失效是碳纤维复合材料另一个重要的失效形式。
树脂基体在实际应用中承受着大量的压力和温度变化。
由于其化学性质和性能的限制，树脂基体容易发生变形、老化和破裂等失效。
特别是在高温环境下，树脂基体的失效频率更高。
树脂基体的失效会影响整个材料的强度和刚度，从而降低其可靠性和耐久性。
综上所述，碳纤维复合材料的失效机理主要包括碳纤维破坏、界面剥离和树脂基体失效。
这些失效形式的发生往往是相互影响和共同作用的结果。
为了提高碳纤维复合材料的可靠性和耐久性，我们需要深入研究这些失效机理，并采取相应的改进措施。
在碳纤维复合材料的制备过程中，我们可以通过选择合适的纤维和树脂，以及优化制备工艺来降低材料的失效风险。
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碳纤维复合材料纵向拉伸失效机制
碳纤维复合材料在纵向拉伸过程中可能出现的失效机制主要有以下几种：
1. 纤维断裂：碳纤维是复合材料中的主要强化相，其具有很高的强度和刚度。
在纵向拉伸过程中，当施加的拉伸应力超过了碳纤维的强度极限时，纤维会发生断裂。
2. 界面剥离：碳纤维与基体之间通过树脂来进行结合，当施加的拉伸应力超过了界面强度时，界面会发生剪切或剥离，导致复合材料的强度和刚度降低。
3. 纤维屈曲：碳纤维在受到较大的拉伸应力时，可能会发生屈曲。
纤维的屈曲会导致断裂的发生，从而降低了复合材料的强度和刚度。
4. 纤维束断裂：复合材料中通常使用多根碳纤维束形成纤维复合体，当其中一根或多根碳纤维断裂时，会导致纤维束的断裂，进而引起整个复合材料的失效。
综上所述，碳纤维复合材料在纵向拉伸过程中可能出现的失效机制有纤维断裂、界面剥离、纤维屈曲和纤维束断裂等。
这些失效机制的发生导致了复合材料的强度和刚度下降，影响了其力学性能和使用寿命。
为了提高碳纤维复合材料的性能，需要采取相应的增强措施，如优化树脂的配方、改善纤维与基体之间的界面结合等。