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建筑科学与工程学报 2023年第1期40卷 57-64页

作者：刘岩谢慧范磊陈奕贤刘俨震长安大学建筑工程学院陕西西安710061

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明... 详细信息

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明:Kapton薄膜为典型的非线性、各向异性材料,整个拉伸过程的应力-应变曲线可以分为3个阶段,即近似弹性段、应变强化段、应力强化段;Kapton膜材强度随偏轴角度的变化表现出“N”形分布规律,异于Tsai-Hill等强度准则的“U”形规律,这是由于膜材内部分子链的择优取向,导致偏轴角度30°时抗拉强度最大,偏轴角度60°时抗拉强度最小;断裂延伸率随偏轴角度的增大呈现出增大的趋势;不同偏轴角度下的弹性模量均有所差异,正交各向异性板的弹性理论可以较好预测Kapton膜材的等效弹性模量;研究所得结论可为Kapton膜材强度、变形预测及相应的充气可展结构设计分析提供参考。

关键词： Kapton薄膜偏轴拉伸试验各向异性材料弹性模量力学性能

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PTFE膜材料的偏轴拉伸性能及破坏机理

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哈尔滨工业大学学报 2016年第12期48卷 135-141,164页

作者：张营营徐俊豪曹原张其林江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室(中国矿业大学) 江苏徐州221116 同济大学土木工程学院上海200092

为深入把握PTFE膜材料的率相关力学性能及破坏机理,对3种常见的PTFE膜材料进行了偏轴拉伸试验,主要考虑了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11个偏轴角度和10、25、50、100、200、500 mm/min等6种拉伸... 详细信息

为深入把握PTFE膜材料的率相关力学性能及破坏机理,对3种常见的PTFE膜材料进行了偏轴拉伸试验,主要考虑了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11个偏轴角度和10、25、50、100、200、500 mm/min等6种拉伸速率,分析了主要力学参数的变化规律,研究了不同拉伸速率下的膜材破坏模式及破坏机理.结果表明:不同拉伸速率下膜材主要力学参数的变化规律比较一致,表现出明显的各向异性;材料的抗拉强度与破坏模式密切相关,随着拉伸速率的增加,抗拉强度逐渐升高,且与拉伸速率的对数呈近似线性关系,这主要与材料应变能及编织结构有关;材料的破坏模式和断裂延伸率受拉伸速率的变化影响不明显.

关键词： PTFE(聚四氟乙烯)膜材偏轴拉伸试验力学性能拉伸速率破坏机理

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热塑性复合材料弹塑性本构数值模拟研究

热塑性复合材料弹塑性本构数值模拟研究

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作者：熊焕杰中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）是当前高性能热塑性工程塑料的代表之一,且其碳纤维增强复合材料具有高比强度、比模量、优良的耐腐蚀以及可重复使用等优点,已被广泛应用于导弹壳体、飞机机身壳体、风力发电叶片以及方向舵等结... 详细信息

聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）是当前高性能热塑性工程塑料的代表之一,且其碳纤维增强复合材料具有高比强度、比模量、优良的耐腐蚀以及可重复使用等优点,已被广泛应用于导弹壳体、飞机机身壳体、风力发电叶片以及方向舵等结构件。相较于短纤维增强复合材料,连续纤维增强热塑性复合材料能够更好的传递和承受载荷,最大程度上发挥出碳纤维的高强度特性。因此准确预测复合材料在受载情况下的力学行为以及损伤模式对结构件设计分析至关重要。由于PEEK热塑性树脂的塑性特征、微裂纹等因素,其在承载时表现出一定的非线性力学行为,本文以T700/PEEK连续纤维增强热塑性复合材料作为研究对象,考虑其宏观尺度下弹塑性特性,主要开展了以下四个方面的内容研究:（1）首先制备了7种不同偏轴角度的单向纤维热塑性复合材料层合板试样,并对其进行了偏轴拉伸试验,获得相应的应力-应变曲线、拉伸强度以及断裂面角度,以研究其非线性力学行为。试验结果表明,随着偏轴角度的逐渐增大,复合材料的非线性力学行为逐渐减弱;当偏轴角度在60°及以上时,其应力-应变曲线近乎为线弹性,拉伸强度以及断裂失效应变也随之减小,但减小的趋势逐渐趋于平缓。（2）在微观结构下,建立含纤维和基体两相的代表性体积单元（Representative Volume Element,RVE）微观有限元模型,并对其施加周期性边界条件,计算了微观RVE模型的弹性模量(E、E、E)、剪切模量(G、G、G)和泊松比(v、v、v),并分析了不同纤维体积分数以及基体孔隙率对材料宏观等效弹性参数的影响。（3）建立了考虑纤维、基体和纤维-基体界面三种材料相的微观RVE模型,以最大应力准则和改进Von-Mises准则分别作为纤维和基体的失效判据,编写了基于ABAQUS UMAT用户子程序,界面采用ABAQUS内置的二次名义应力失效准则,通过对微观RVE模型施加不同的载荷条件,计算得到了纵向拉压强度、横向拉压强度以及面内剪切强度,并进一步讨论了纤维体积分数与这些强度参数之间的作用规律。（4）在三维宏观尺度下,基于连续损伤力学,通过引入同时考虑偏离变形和膨胀变形的双参数塑性模型,并结合基体-La RC05失效准则、纤维-最大应力失效准则以及渐进损伤退化规律,编写了VUMAT用户子程序,并以微观RVE模型分析得到的弹性参数和强度参数作为输入量,对T700/PEEK复合材料层合板进行偏轴拉伸数值仿真分析,最后通过与偏轴拉伸试验结果进行对比,验证用户子程序编写的正确性。

关键词：热塑性复合材料偏轴拉伸试验碳纤维体积分数弹塑性本构 LaRC05准则

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陶瓷基复合材料唇形基体裂纹扩展以及对损伤演化的影响

陶瓷基复合材料唇形基体裂纹扩展以及对损伤演化的影响

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作者：陈希中国民航大学

学位级别：硕士

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,以下简称CMC)具有强度高、密度低、耐高温、耐磨性好、抗氧化能力强等优点,在过去几十年中已成为航空发动机高温部件最受欢迎的材料之一。但是CMCs由于塑性变形能力差导致其脆性大,在受载情况... 详细信息

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite,以下简称CMC)具有强度高、密度低、耐高温、耐磨性好、抗氧化能力强等优点,在过去几十年中已成为航空发动机高温部件最受欢迎的材料之一。但是CMCs由于塑性变形能力差导致其脆性大,在受载情况下基体内容易出现裂纹。尤其是基体内本身存在着的大量缺陷,如裂纹、孔洞等,基体裂纹的进一步扩展会严重影响其使用性能。因此,探索基体裂纹对CMCs损伤演化过程的影响,对于改进CMCs的设计,加速CMCs在航空领域的应用具有重要意义。本文首先将CMCs基体裂纹抽象为唇形裂纹,并建立唇形裂纹数学模型。采用复变函数和保角映射方法推导了任意拉伸载荷下唇形裂纹的复势函数;根据断裂力学理论,得到了唇形裂纹平面的应力场分布和位移场分布;分别给出了唇形裂纹尖端Ⅰ型应力强度因子和能量释放率表达式以及Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子和能量释放率表达式,并建立了唇形裂纹尖端Ⅰ型失效准则和Ⅰ-Ⅱ复合型失效准则。其次,开展单向纤维增强C/SiC陶瓷基复合材料的偏轴拉伸试验,得到了偏轴拉伸应力-应变曲线和试件表面的全场应变云图,得到了Ⅰ-Ⅱ复合型唇形基体裂纹的扩展规律。最后,建立了含随机分布唇形基体裂纹的CMCs数值计算模型,分别模拟了拉伸载荷下I型唇形基体裂纹和Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹的CMCs失效过程,并研究了基体裂纹扩展对CMCs损伤演化的影响规律,同时分析唇形基体裂纹尺寸、分布以及界面粘结强度等因素对结果的影响。仿真结果与试验结果对比,具有较好的一致性。

关键词：陶瓷基复合材料唇形裂纹失效准则仿真计算偏轴拉伸试验

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