复合材料断裂分析的特殊方法
纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为分析
纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为分析引言：纤维增强复合材料由纤维和基质组成，并具有较高的强度和刚度。
然而，由于其特殊的结构，它们在使用过程中可能会遭受到疲劳和断裂的影响，降低其性能甚至导致失效。
因此，对纤维增强复合材料的疲劳和断裂行为进行深入分析具有重要的理论和实践意义。
1. 纤维增强复合材料的基本组成和结构纤维增强复合材料是一种由纤维和基质相互作用形成的材料。
其中，纤维起到增强作用，通常使用碳纤维、玻璃纤维或有机纤维等；而基质则起到固定纤维和传递载荷的作用，通常使用聚合物基质。
纤维与基质之间的粘结强度直接影响材料的性能。
2. 纤维增强复合材料的疲劳行为分析2.1 疲劳现象纤维增强复合材料在交变载荷作用下，会出现疲劳现象。
其主要表现为材料的延展性减小、刚度降低、载荷下移等。
2.2 疲劳寿命疲劳寿命是指材料在特定载荷作用下能够承受的循环次数。
它受到材料本身特性、应力水平和加载方式等多个因素的影响。
2.3 疲劳引起的损伤机制疲劳引起的损伤机制包括纤维断裂、界面剥离、基质开裂等。
这些损伤会导致材料的性能下降，并最终导致材料失效。
3. 纤维增强复合材料的断裂行为分析3.1 断裂韧性断裂韧性是指材料在受到外力作用下能够抵抗断裂的能力。
对于纤维增强复合材料，其断裂韧性往往比强度更重要，因为它能够反映材料在面对真实工况下的性能。
3.2 断裂模式纤维增强复合材料的断裂模式主要包括纤维断裂、纤维滑移、界面剥离和基质开裂等。
确定合适的断裂模式对于材料的设计和使用具有重要意义。
4. 疲劳与断裂行为分析方法4.1 实验方法通过设计合适的实验方案，可以对纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为进行测试和观察，获得相关数据并做出分析和判断。
4.2 数值模拟方法利用数值模拟方法可以预测和研究纤维增强复合材料的疲劳与断裂行为。
通过建立合适的材料模型和加载条件，可以得到与实验相近甚至更为精确的结果，为进一步的研究和设计提供依据。
5. 应对纤维增强复合材料的疲劳与断裂挑战5.1 材料改性与优化通过改变纤维和基质材料的组合及性能，优化纤维增强复合材料的疲劳和断裂性能。
高强玻纤复合材料的Ⅰ型断裂韧性仿真与试验分析
（b）断裂韧性 G=584J/m2
图 6 载荷 - 张开位移曲线
（a）0.25s
（b）0.5s
（c）0.75s
（d）1.0s
图 7 裂纹扩展过程
只有最终稳定区的数值。试验的最大载荷为 57.75N，仿真 的最大载荷为 61.76N，误差为 6.9%，同时通过对比断裂 韧性 G Ⅰ c 为 720J/m2 与 584 J/m2 的试验与仿真的结果（误 差分别为 8% 与 13.8%），试验与仿真吻合较好。
=
Kn
Ks
ε n
ε
s
tt
Kt ε t
（1）
式中，变量 tn、ts、tt 分别为界面法向和面外剪切方向的 名义应力；变量 εn、εs、εt 代表相应的名义应变，Kn、 Ks、Kt 为对应方向的刚度值。
本文层间单元损伤起始判据采用二次名义应力准则判
据，准则判据公式见公式 2。当法向与 2 个面外剪切方向的
◎ 61 万～ 200 万
中国科技信息 2021 年第 14 期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jul.2021 DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2021.14.029
可实现度
可替代度
行业曲线
link
appraisement
应力比的平方和达到 1 时，层间损伤产生：
tn tn0
2
+
ts ts0
2
+
tt tt0
2
= 1
（2）
式中，变量 tn、ts、tt 分别为 1 个界面法向和 2 个面外 剪切方向的瞬时应力；变量 t0n、t0s、t0t 分别为 1 个界面法向和 2 个面外剪切方向的最大名义应力。
含裂纹各向异性复合材料板的断裂分析
＝
一
其中 （） （） ＝ 。＋ ２￣ ２： ， ＝ 。＋ ２２ ２ ， ： ， ． 记 ＝ ， Ｄ ＤＪ ＋ Ｄ Ｄ Ｄ￣ ＋ Ｄ （ １ ） ２ － Ｌ ６ ｃ ． ２
研究 受弯 矩载荷 和扭矩 载荷 作 用 的无 限大各 向异 性纤 维复合 材料 板 ， 板厚 度为 ｈ 含 长度 为 ２ ， ０的
中心 穿透裂 纹 ， 坐标 轴 与弹性 主方 向不 平行 。 Ｗ是 中面挠 度 函数 ， 由弹性理 论 知控制 方程 为 Ｌ Ｊ 且 设 则 ４ ：
Ｄ 鲁 ４ ｘ ２ ２ ｄｄ ＋Ｄ ｄ ＋ ０ ｘ Ｄ Ｏｄ＋（ ＋Ｄ）ｘＹ ４ 。 Ｄ 鲁 Ｏ ＋ Ｄ ｃ ｄ Ｏ ＝
向异性纤 维复 合材料 板 受弯扭 载荷 作用 下 的裂纹 尖端 力学 问题 归结 为偏 微 分方 程 边值 问题 ， 利用 复 变 函数
方 法求解 ， 到裂纹 尖端 应力 场 、 移场 的解 析解 ， 得 位 这些 公式 在复 合材 料板 受弯 扭断 裂分 析时非 常重 要 。
１ 力 学模 型
其 中 Ｄ 是 各 向异性 复合材 料板 的刚度 系数 。 令 中面挠 度 ｗ ＝ｗ（ ＋ Ｙ （ 为 复数 ） Ｉ ）Ｉ Ｘ Ｘ 将 式 （ ）代入 式 （ ） 得 特征 方程 ］ ２ １， ：
Ｄ ２ ＋４ ２ ＋２ Ｄｌ ２ Ｄ６ （ ２＋２ ６ Ｄ６） ＋４ １ ＋Ｄ１ Ｄ６ Ｘ Ｉ １＝０
文章编 号 ：６ ３— ０ ７ ２ １ ） １ ０ ６ ０ １ ７ ２ ５ （ ０ １ ０ — ０ ７— ５
含 裂 纹 各 向 异 性 复 合 材 料 板 的 断 裂 分 析
复合材料的断裂力学分析
复合材料的断裂力学分析在现代工程应用中，复合材料广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域，其具有优异的力学性能和轻质化特点。
然而，复合材料在使用过程中可能会遭遇断裂问题，这对于确保结构的可靠性和安全性具有重要影响。
因此，对复合材料的断裂力学进行分析和研究，对于优化设计和应用格局具有重要意义。
断裂问题是复合材料研究领域中的一个核心问题。
复合材料的断裂行为受到许多因素的影响，如纤维和基体的相互作用、界面特性、纤维排布和纤维/基体的粘合强度等。
研究断裂力学，可以通过分析断裂失效的基本原因和机理，提高复合材料的断裂韧性和延展性，以适应多样化的应用需求。
对于复合材料的断裂力学分析，一种常用的方法是基于线弹性断裂力学理论。
这种方法适用于强度较高、刚度较大的复合材料。
通过应力场和应变场的分析，可以确定关键断裂参数，如断裂韧性、断裂能量释放率等。
此外，还可以分析复合材料中的微观缺陷和损伤，如纤维和基体的断裂、纤维断裂和层间剪切等。
通过研究复合材料的断裂行为，可以深入了解其力学性能，并提供指导优化设计和材料使用的依据。
在断裂力学分析中，还需要考虑几种常见的断裂失效模式，如纤维断裂、纤维/基体界面剪切断裂、层间剪切断裂等。
纤维断裂是复合材料最常见的失效模式之一，对于纤维增强复合材料而言，其断裂韧性和拉伸性能是至关重要的。
纤维/基体界面剪切断裂是在纤维和基体之间形成的界面失效模式，其对于界面剪切强度和界面粘结力的研究有重要的指导意义。
层间剪切断裂是复合材料中的一种失效模式，主要发生在纤维层之间，影响复合材料整体性能的重要因素之一。
在复合材料的断裂力学分析中，有几个关键的参数需要考虑。
首先是断裂韧性，它描述了材料抵抗断裂的能力。
其次是断裂能量释放率，它表示断裂过程中单位面积的能量释放情况，可以用于评估断裂的严重性。
另外，断裂的扩展速率也是一个重要的参数，通过分析断裂速率，可以判断断裂行为的临界点和材料的强度性质。
综上所述，复合材料的断裂力学分析是复合材料研究和应用中不可忽视的重要内容。
纤维增强型复合材料断裂仿真分析
黑 龙 江 省 教 育厅 科 技 项 目（ １４ ０ ３ 和 大 庆 市科 学 技 术 计 划 项 目（ Ｇ ２０ －２ ） １５ １ １ ） Ｓ Ｇ ０ ８０ ７ 。 戴 光 ， ，９ ４年 １ 生 ， 授 。黑 龙 江省 大庆 市 ，６３ ８ 男 １５ ２月 教 １３ １。
７ ８
化
工 机
材 料压 力容器 ， 暗 含 裂纹 生 长 可 能会 导 致 一 场 其
灾 难性 的爆 炸 … 。 如 果 已经 存 在 的 失 效 形 式 由 裂 纹扩展 引发 局 部 断裂 或 者 完全 断裂 ， 对 构 件 将 和 构件所 处系统 造成 很大 的威胁 。运 用有 限元研
复 合材料 的拉 伸 损伤 与断 裂 行 为 ， 过分 析 不 同 通
在 生产 过程 、 造工 程 、 工过 程及 服役过 程 建 施 中 ， 构产生 的裂纹 通 常会引 发一些 灾难 ， 结 例如 某
些 石 油 石 化 行 业 生 产 系 统 关 键 部 位 所 用 的 玻 璃 钢
现 象被 称 为声 发射 （ ｃｕｔ ｍｉ ｉｎ 简 称 Ａ Ａ ｏ ｓｃＥ ｓ ｏ ， ｉ ｓ Ｅ） 或 应力波 发射 （ ｔ ｓ ＷａｅＥ ｉ ｉ ） 。庄兴 民 Ｓｒ ｓ ｖ ｍ ｓ ｏ ｅ ｓｎ 等 运用声 发 射 检 测 技 术 研 究 了 聚 乙烯 自增 强
纹 情况 计算 的应 力 ） ａ为 裂 纹 尺 寸 ，， 形 状 系 ， ｌ为
数， 一般 与裂 纹长 度 、 度 以及位 置等有关 。对于 宽
基体 断裂 时考 虑单一 判据 即 可 ， Ｋ ＝Ｋ 即 。 当裂
尖位 于 中心基体 时 （ 即形状 系数 Ｙ＝１ ， ） 随着裂 纹
增加 ， 体的承 载 面积减少 ， 然裂尖 区域 的应力 基 必 集 中程度增 大 ， 裂尖应 力增 加 。 对 于纤 维增 强 型 复合 材 料 ， 常 基 体 是脆 性 通 的而且 易 于断裂 ， 在 基 体 中的纤 维 能 加 强基 体 夹
复合材料层间断裂韧度测定与断面形貌分析
复合材料层间断裂韧度测定与断面形貌分析分层是复合材料的一种常见破坏模式，分层与层间的断裂韧度有关。
文章对工程复合材料T700/YPX3001的层间断裂韧度开展了研究，完成了不同加载模式比下层间断裂韧度的测定，并对不同加载模式比下的层间断裂形貌进行了分析。
标签：复合材料；断裂；韧度引言现代飞机发展趋势表明，先进复合材料在机体结构中的使用比重和应用部位已成为衡量飞机结构设计水平先进性的重要指标之一。
虽然复合材料占飞机结构比重越来越高，但工程师们对复合材料的使用还相当保守，复合材料的优异性能尚未得到尽情展现。
这归根结底主要是对复合材料的破坏机理研究还不够深入。
分层是复合材料的一种典型破坏模式，有I型、II型、III型以及混合型开裂模式。
是否分层与层间断裂韧度大小有关。
复合材料层间断裂韧度大小随层间加载模式比的变化而不同。
本文开展了复合材料T700/YPX3001的层间断裂韧度性能研究，完成了不同加载模式比下的层间断裂韧度试验，对层间断裂形貌进行了分析。
1 断裂韧度测定方法根据ASTM D5528-01试验标准[1]，I型层间断裂韧度GIc采用双悬臂梁（DCB）试验测定。
DCB试件采用复合材料单向层合板制成，其一端的中面置入无粘着力的嵌入物，模拟层间起始分层。
Hashemi等[2]建立了I型断裂韧度的解析表达式：对II型层间断裂韧度GIIc的测定，目前还没有实现标准化，通常采用端边切口弯曲（ENF）试验方法测定。
ENF试验件与DCB试验件几何形状相同，在试件一端的中面置入无粘着力的嵌入物，模拟层間起始分层。
根据工程梁理论，II型断裂韧度的解析表达式：式中，Pg为加载杠杆和附着件的合重量；cg为杠杆和附着件的重心到跨距中点的距离。
2 试验及结果分析2.1 试验设计试件材料为T700/YPX-3001，铺层为[0]32。
名义单层厚度0.143mm。
固化前，通过预先埋置薄膜（聚四氟乙烯）来预制层间初始裂纹。
裂纹尖端到右支点距离为30mm，ENF和MMB试验中两支点跨距为100mm。
材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析(ppt 55页)
图5 改性前后CYD128 的冲击断面图 图5a为纯环氧树脂冲击断面扫描电镜图, 其断面光滑, 裂纹方向单一, 呈 直线扩展, 呈现明显的脆性断裂特征; 图5b为改性环氧树脂的冲击断面扫描 电镜, 断面出现大小不一的韧窝, 是典型的韧性破坏。
刚性粒子增韧环氧树脂
通过选用强度差的滑石粉及强度高的二氧化硅填充改性环氧树脂,后者并分别 用脱模剂和偶联剂进行处理,对上述材料的断裂韧性及其他主要性能以及粒子 与基体间的界面情况进行了研究。实验结果表明:刚性粒子能够提高环氧树脂 的断裂韧性,滑石粉和经脱模剂处理的二氧化硅粒子具有与弹性粒子相类似的 增韧机理。
价格低廉的硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响,发现硫酸钙晶须加 入到环氧树脂中,能够均匀分散,起到骨架作用,辅以适量的硅烷偶 联剂固化后形成聚合物- 纤维复合材料,内聚强度大为提高,表现出 强固和坚韧的特性。
硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响
Gail, et al. 采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的 环氧树脂/ 蒙脱石复合材料。研究结果表明:抗冲击强度提高了67 % ,拉伸强度 提高了78 %,热变形温度也提高了87 ℃。
SiO2/ EP/ 固化剂体系的力学性能和热性能
以经偶联剂表面处理后的纳米二氧化钛( TiO2 ) 为填料与EP 共混进行增韧增强改性, 当填料质量分数为3 %时,EP/ TiO2 纳米复合材料的拉伸弹性模量较EP提高370 % , 拉伸强度提高44 % , 冲击强度提高878 %,其他性能也有明显提高
EP/ TiO2 纳复合材料的力学性能
刘竟超等研究了纳米SiO2 在偶联剂的作用下较均匀地分散于环氧树脂基体中, 有效地增加了环氧树脂的强度及韧性,并提高了环氧树脂的耐热性。
复合材料分层断裂的三种模式
复合材料分层断裂的三种模式社会的不断进步，使得人们的生活水平在很大程度上得到了提高，复合材料分层断裂的三种模式就是通过改变室内的热湿环境，为人们的居住生活提供一个舒适健康的环境。
复合材料分层断裂的三种模式的应用越来越广泛，一个良好的复合材料分层断裂的三种模式设计，不仅可以提高人们生活舒适度，还可以提高工作学习效率。
随着我国民众环保意识的增强，不再单单一味追求舒适的居住环境，更多的开始关注节能减排、绿色环保、和谐自然的居住环境。
1.1复合材料分层断裂的三种模式引言概述复合材料分层断裂的三种模式在最近几十年飞速发展的过程之中，其整体的产业耗能占比已经接近我国社会整体能耗的三分之一，而对于复合材料分层断裂的三种模式的整体使用来说，其能耗在建筑整体能耗之中的占比达到了40-50%，复合材料分层断裂的三种模式以其出色的节能性和环保性，受到越来越多的关注，同时也被不断推广。
但是，复合材料分层断裂的三种模式在施工中往往不受重视，导致发生了很多问题，而且我国的复合材料分层断裂的三种模式的设计和施工往往由不同单位承包，其对于问题的理解方式不同，相对应的利益关系也存在很大区别，导致很难有完美的配合。
加之，设计人员和施工人员的素质不同，复合材料分层断裂的三种模式可能由于缺乏施工经验而凭空想象，造成设计不合理；施工人员对设计理解度不够，达不到设计要求，造成设计效果大打折扣等。
复合材料分层断裂的三种模式的施工质量好坏直接和影响了建筑物的使用质量好坏，加强复合材料分层断裂的三种模式的施工复合材料分层断裂的三种模式管理，有利于提高复合材料分层断裂的三种模式质量。
因此，对复合材料分层断裂的三种模式进行工程复合材料分层断裂的三种模式管理是非常有意义的，也是非常重要的。
由于社会的发展，人们的生活水平得到了大大提高，在这种大形势下，相应的物质需求也就急速膨胀，而复合材料分层断裂的三种模式基本的居住工程也成了社会最为关注的重点复合材料分层断裂的三种模式之一。
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复合材料断裂分析的特殊方法
复合材料具有热稳定性好、比强度、比刚度高的特点，因此被广泛应用于航空航天、建筑、汽车等领域。
由于裂纹和夹杂的存在，复合材料常常会不同程度地断裂破坏，这会极大地影响其服役寿命。
研究复合材料断裂失效问题的方法有解析方法、实验方法及数值方法。
解析法仅适用于具有特殊几何边界和加载条件的问题，难以解决具有复杂边界和加载条件的问题。
实验方法由于代价高也难于被广泛应用。
常用的数值方法在模拟裂纹或夹杂等不连续问题时需进行网格重构。
因此，发展新的数值方法来研究复合材料的断裂与损伤具有重要的理论与现实意义。
扩展有限元法是一种新兴的分析裂纹等不连续问题的数值方法，该方法继承了传统有限元法的优点，克服了其分析裂纹问题中网格划分繁琐的缺点。
相对于各向同性弹性材料断裂，扩展有限元在正交各向异性热弹性材料断裂方面的研究要少得多，因此，研究正交各向异性热弹性断裂扩展有限元分析方法具有非常重要的应用价值，基于此，本文主要应用发展扩展有限元法(extended finite element method，XFEM)研究含裂纹夹杂各向同性、正交各向异性复合材料的断裂失效问题，把正交异性热弹性裂尖加强函数应用于正交异性热弹性断裂问题中，并把热弹性各向同性裂尖加强函数应用于热弹性各向同性裂纹夹杂相互作用问题中，主要内容包括：
1.给出了各向同性及正交异性交互积分的表达式，并在正交异性交互积分的基础上，通过引入热积分项，推导了正交异性热弹性交互积分的表达式，并对交互积分做了两点改进：增加了与温度变化有关的项，把各向同性弹性交互积分推广到正交异性热弹性交互积分。
2.在经典的各向同性扩展有限元的基础上，把各向同性材料弹性问题的扩展有限元法推广到正交异性材料热弹性问题分析，研究了热载荷作用下含单裂纹正交异性复合材料板断裂分析的扩展有限元法，分析了不同材料主轴、网格细度、高斯积分、裂尖加强函数及J积分
半径对裂纹尖端应力强度因子的影响,得到了裂纹尖端应力强度因子,对比了相应文献结果，并通过几个典型算例验证了发展XFEM模拟正交异性热弹性断裂的准确性和合理性。
3.鉴于材料中的缺陷常常以多裂纹、多夹杂形式出现，研究多裂纹、多夹杂问题具有重要的现实意义。
本文在单裂纹、单夹杂已有研究结果的基础上，给出了多裂纹和多夹杂热弹性问题相关控制方程，推导了多裂纹和多夹杂热弹性问题扩展有限元离散表达式及相应的扩展有限元位移逼近，通过数值算例验证了发展XFEM模拟裂纹夹杂相互作用问题的准确性，着重分析了裂纹长度、裂纹夹杂间距对裂纹尖端应力强度因子的影响。
4.在给出各向异性复合材料板平面问题的基本理论和方法的基础上，利用保角映射技术，通过构造适合所研究问题的保角映射，并引入适当的应力函数，得到了在面内集中载荷作用下各向异性复合材料板中半无限裂纹尖端应力强度因子的解析解。