摘要
为研究纤维褶皱对碳纤维复合材料层合板压缩性能的影响,参考ASTM D6641—2014完成了含纤维褶皱碳纤维层合板压缩性能试验;同时采用基于Hashin失效准则及性能逐渐退化的渐进损伤方法进行了有限元分析。结果表明:褶皱程度为30%的凹陷试验件压缩极限载荷相比完好试验件降低了58.48%;同等褶皱程度下凹陷试验件比凸起试验件抗压强度更低;褶皱程度为30%的凹陷试验件刚度相比完好试验件降低了35.80%;有限元分析结果与试验吻合良好,试验件的损伤最初为基体损伤,经过扩展导致试验件在褶皱处断裂。
复合材料使用范围越来越广、使用量越来越大,这给复合材料的生产制造带来了挑战。虽然复合材料制造工艺日益成熟,但仍不可避免地会产生部分缺陷工件。常见的制造缺陷包括分层、孔隙、杂质、纤维褶皱
纤维褶皱是对结构承载能力影响较大的一种初始缺陷,国内外学者对其开展了大量的研究。S.Mukhopadhyay
可以看到,学者们已通过试验和有限元分析等方法对纤维褶皱形态、褶皱对拉伸压缩弯曲等力学性能的影响、褶皱对疲劳性能的影响等方面进行了大量研究,并取得了较多成果。但褶皱的拓扑类型种类繁多,失效模式众多,不同复合材料类型和铺层类型性能对褶皱的敏感度也不尽相同,目前还难有通用的理论方法适用于所有的褶皱分析。
本文旨在对工程生产中遇到的一种纤维褶皱类型开展试验和有限元分析研究,以判断该类型褶皱对工件力学性能的影响程度。试验参考ASTM D6641—2014进行。有限元分析采用渐进损伤方法,以改进的Hashin准则作为材料纤维失效、基体失效以及分层失效判据,采用连续介质损伤力学(CDM)方法,通过引入基于断裂能的损伤变量的方法表征材料初始失效发生后的性能退化规律,方法通过自编Umat子程序实现。
根据生产中产生的褶皱几何形态,设计了适用于ASTM D6641—2014的试验件。试验件铺层为[45/0/-45/90]3S,总铺层数为24,单层厚度为0.19 mm。试验件整体尺寸为140 mm12 mm4.56 mm,在其纵向中心处设计有褶皱,如

图1 褶皱试验件示意图
Fig.1 Schematic diagram of wrinkle test piece
根据ASTM D6641—2014,采用标准压缩试验夹具进行试验。试验设备为济南试验机厂WDW-E2000电子万能试验机,精度0.5%。试验过程采用位移加载,首先进行预加载消除安装间隙,然后以恒速率加载至试验件破坏,加载速率1 mm/min。试验中载荷、位移等数据均由试验控制器采集。试验设备及夹具如

图2 试验设备及夹具
Fig.2 Test equipment and fixture
为进一步研究试验件破坏机理,在试验的基础上进行了有限元分析研究。分析采用渐进损伤方法进行,渐进损伤理论认为材料的损伤不会使试件瞬间破坏,而是使材料的性能发生退化,随着载荷的不断增大,性能不断降低直至完全破坏。材料的损伤起始的判定(失效准则)以及性能退化的规律是渐进损伤分析的核心。
Hashin失效准
纤维拉伸失效()
(1) |
纤维压缩失效()
(2) |
基体拉伸失效()
(3) |
基体压缩失效()
(4) |
分层失效()
(5) |
式中,,,,,,为材料各向强度;为材料刚度系数。上式中大于1,则认为材料出现损伤,性能开始下降。
当材料出现损伤后,材料的承载能力下降,模型采用连续介质损伤力学(CDM)方法,通过引入损伤变量来表征材料性能退化。损伤后材料应力应变关系为
(6) |
式中,为损伤后的材料刚度矩阵,由损伤变量和初始刚度矩阵确定,由式(7)~
(7) |
(8) |
(9) |
式中,为损伤变量,1,2,3分别表征纤维损伤、基体损伤以及分层损伤。为0是表示完全未损伤,为1是表示完全破坏,材料从刚出现损伤到最终完全损伤,从0逐渐增加到1,详细定义参考文献[
拉伸失效
(10) |
压缩失效
(11) |
拉伸失效参数为开始出现损伤时的应变,由
(12) |
(13) |
式中,为相应方向拉伸强度,为各方向弹性模量,为相应失效断裂能,为单元特征长度。
考虑到损伤演化是个不可逆的过程,材料一旦发生破坏其性能不能再恢复,因此计算模型中均取损伤历史最大值。
上述失效准则和性能退化准则均通过Abaqus用户子程序接口Umat实现。Abaqus主程序完成载荷步更新、平衡方程建立、平衡方程求解等内容;Umat子程序通过从主程序获取应变增量和上一步状态变量等信息,计算积分点应力应变状态并更新状态变量、进行性能退化并将数值返还主程序。状态变量用于表征材料损伤以及性能退化情况。整体有限元分析流程如

图3 有限元分析流程图
Fig.3 Flow chart of finite element analysis
不同褶皱程度试验件载荷位移曲线趋势均相同,以凹陷20%试件为例进行分析,载荷位移曲线如

图5 凹陷20%试件载荷位移曲线
Fig.5 Load displacement curves of 20% sunken test pieces
由
为研究褶皱对试验件刚度的影响,

图6 不同褶皱程度试验件刚度对比图
Fig.6 Stiffness comparison of test pieces with different wrinkle degrees
不同褶皱程度试件的损伤的出现和发展规律基本相同,仅发生的时间有所差异。这里以凹陷20%试验件为例进行分析。试验中典型破坏模式如

图7 凹陷20%试件破坏情况
Fig.7 Damage of 20% sunken test piece

图8 基体损伤演化
Fig.8 Evolution of matrix damage
(1)纤维褶皱会明显降低复合材料压缩强度,褶皱程度为30%的凹陷试验件比完好试验件极限破坏载荷降低了58.48%。
(2)同等褶皱程度情况下,凹陷褶皱比凸起褶皱对复合材料压缩强度影响更为严重。
(3)纤维褶皱对复合材料试件刚度也存在较大影响,褶皱程度为30%的凹陷试验件比完好试验件刚度下降35.80%。
(4)文中所采用有限元模型能较好地预测褶皱试验件压缩强度,并能有效地模拟损伤的起始及扩展过程。试验件的损伤产生在褶皱处,以基体损伤开始,而后出现了分层损伤以及纤维损伤,并最终扩展至试件完全破坏。
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