植物短纖維增強復合材料具有質輕、環(huán)保和可循環(huán)利用等優(yōu)點,因此廣泛應用于汽車、高鐵列車和民用飛機等領域,隨機短云杉纖維增強聚丙烯復合材料（云杉/PP）在上述領域具有潛在應用價值�；�于內聚力區(qū)模型（CZM）,本文用實驗與數(shù)值混合方法研究了云杉/PP復合材料的宏觀斷裂行為力學參數(shù)。作為對比材料,還測定了編織玻璃纖維增強聚胺酯復合材料（玻璃纖維/PU）的宏觀內聚力區(qū)模型的牽引-分離關系。本文采用內聚力區(qū)模型描述云杉/PP和玻璃纖維/PU復合材料的宏觀I型斷裂力學行為。通過緊湊拉伸斷裂力學實驗,利用數(shù)字圖像相關方法（DIC）得到不同載荷和裂紋啟裂載荷時的裂尖位移場和應變場;通過實驗-有限元數(shù)值混合法,得到上述載荷作用下的遠場應力場。將裂紋尖端內聚力區(qū)的牽引力和分離量進行離散化處理,內聚力區(qū)的分離量由上述DIC實驗測得。利用上述斷裂實驗測量場和數(shù)值輔助場的交互J積分與路徑無關的性質,建立求解內聚力區(qū)的牽引力的方程組,通過改進的場投影法（FPM）測得材料宏觀內聚力區(qū)模型牽引-分離關系。本文針對纖維體積含量為49%和20%的云杉/PP短纖維復合材料以及玻璃纖維/PU編織復合材料,測量了在不同載荷和裂紋啟裂載荷時其宏觀內聚力區(qū)牽引-分離關系曲線,得到其宏觀內聚力區(qū)強度和應變能釋放率。討論了彈性模量與積分路徑對CZM牽引力測量結果的影響。采用基于本文內聚力區(qū)模型的牽引-分離關系曲線的實驗測量方法、實驗-有限元數(shù)值混合J積分方法和Irwin-Kris方法,測得云杉/PP復合材料的宏觀斷裂能量釋放率,對結果進行了比較和討論。用雙線性內聚力區(qū)模型表征云杉/PP短纖維復合材料的宏觀斷裂和微觀纖維基體界面力學行為,采用Mori-Tanaka細觀力學方法,估計確定了纖維體積含量為49%和20%兩種云杉/PP短纖維復合材料的纖維基體界面CZM參數(shù),即纖維基體界面的內聚力區(qū)強度、界面剛度和界面能量釋放率。本文工作為非均勻復合材料的宏觀斷裂行為、纖維基體界面力學行為的表征以及材料的優(yōu)化設計提供了實驗測試方法和數(shù)據(jù)。 

 

 

天津大學天津市211工程院校985工程院校教育部直屬院校

 

【學位級別】：碩士

 

頁數(shù)：67

 

文章目錄

中文摘要

ABSTRACT

字母注釋表

第一章 緒論

    1.1 研究背景

    1.2 內聚力區(qū)模型的應用與分類

    1.3 內聚力區(qū)模型研究現(xiàn)狀

    1.4 本文主要工作

第二章 宏觀內聚力區(qū)牽引-分離曲線測量方法

    2.1 改進的場投影法算法基本原理

    2.2 實驗材料及設備

    2.3 緊湊拉伸斷裂實驗

    2.4 誤差分析

第三章 宏觀內聚力區(qū)模型參數(shù)測量結果與分析

    3.1 纖維含量為49%云杉/PP試件計算結果

    3.2 纖維含量為20%云杉/PP試件計算結果

    3.3 玻璃纖維/PU試件計算結果

    3.4 宏觀內聚力區(qū)牽引-分離關系結果討論

    3.5 彈性模量與積分路徑對CZM牽引力測量結果的影響

    3.6 誤差分析

第四章 宏觀能量釋放率與纖維基體界面CZM參數(shù)表征

    4.1 能量釋放率計算方法

    4.2 能量釋放率計算結果與比較

    4.3 云杉/PP纖維基體界面CZM參數(shù)的表征

第五章 總結與展望

    5.1 總結

    5.2 展望

參考文獻

發(fā)表論文和參加科研情況說明

致謝

 

 

參考文獻

 

期刊論文

 

[1]數(shù)字散斑相關方法與應用研究進展[J]. 王懷文,亢一瀾,謝和平.  力學進展. 2005(02)

[2]改進植物纖維/熱塑性塑料復合材料界面相容性的技術進展[J]. 鄭玉濤,陳就記,曹德榕.  纖維素科學與技術. 2005(01)

[3]復合材料斷裂力學研究現(xiàn)狀與趨勢[J]. 張雙寅.  力學進展. 1987(01)

 

碩士論文

 

[1]實驗與數(shù)值混合法確定短纖維復合材料宏微觀內聚力模型參數(shù)[D]. 張曉旭.天津大學 2013

[2]實驗與數(shù)值混合法研究植物短纖維復合材料的斷裂與增韌行為[D]. 梁冬超.天津大學 2013