中文名 | 纖維增強復合材料破壞準則 | 外文名 | failure criteria of fibre reinforced composites |
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目前,單向復合材料層板的破壞理論有多種,但它們都只是部分地同某些實驗結果相符合。公認的幾種破壞準則為:
2.1最大應力準則
它是以應力值為判據的破壞準則。其內容是,單向層板中各應力分量都要小于相應的強度值,否則材料就會破壞。對圖1所示的單向纖維板,若以L、T表示順纖維方向和垂直纖維方向,
這三個不等式是相互獨立的,只要其中有一個不滿足,材料就會破壞。
如果單向層板只在和纖維成θ角(
(2)代入式(1),則有:
只要三個不等式中有一個不滿足,材料就破壞。
為壓應力時,有類似的公式。
2.2最大應變準則
它是以應變值為判據的破壞準則。其內容是,單向層板中各應變分量都要小于相應的極限應變值,否則材料就會破壞。以εL、εT和γLT表示應變分,以和eLT分別表示L方向拉伸極限應變值,L方向壓縮極限應變值、T方向拉伸極限應變值、T方向壓縮極限值和單向層板的剪切極限應變值,則破壞判別式為:
只要三個不等式中有一個不滿足,材料就破壞。
利用單向復合材料層板的應力-應變關系
和
最大應變理論的破壞判別式(4)可寫成以應力分量表達的形式:
式中EL、ET為彈性模量;vLT、vTL為泊松比,GLT成為剪切模量。比較式(7)和式(1)可知,最大應力準則和最大應變準則的差別僅在于后者給出的判別式中含有泊松比,而前者不含。
2.3蔡-希爾破壞準則
是美籍華人學者蔡為侖和美國的R.希爾在20世紀60年代將各向同性材料的米澤斯屈服條件(見屈服條件)推廣到單向層板而得到的破壞準則。它只適用于拉伸和壓縮強度相等的單向層板。
記
則根據這一準則,單向層板臨界破壞應力應滿足的條件為:
等式左端各項的實際計算值小于1,材料不破壞;大于1,材料就會破壞。
對圖2所示情況,上式可化成以
根據蔡-希爾破壞準則計算出的結果比較接近實際。
2.4蔡-吳破壞準則
是美籍華人學者蔡為侖和E.M.吳于1971年提出的張量形式的破壞準則。根據這一準則,臨界破壞應力應滿足的條件為:
式中
對于單向層板,式(10)可寫為:
等式左端各項的實際計算值小于1,材料不破壞;大于1,材料就會破壞。蔡-吳破壞準則的優點在于,判別式中包含應力的一次項,因此適用于抗拉、抗壓性能不同的材料。
纖維增強復合材料破壞準則建立在單向纖維增強復合材料的簡單破壞實驗的基礎上,是估算復雜應力或復雜應變狀態下單向復合材料強度以及進行復合材料設計的依據。由于纖維增強復合材料目前多為層板,所以破壞準則是層板強度計算的基礎。
在纖維增強復合材料中,纖維的拉伸強度高于基體的拉伸強度。在垂直于纖維方向承受拉伸或在纖維方向和垂直于纖維方向承受剪切的情況下,比較小的應力也會引起復合材料中纖維與基體的脫離或基體自身的拉伸破壞或剪切破壞。在平面應力狀態下,單向復合材料有三種基本的破壞形式:纖維拉伸(或壓縮)破壞、基體拉伸(或壓縮)破壞和剪切破壞。
層板的破壞是一個逐層破壞過程。當外加載荷增大到層板中某一層的破壞值時,這一層先破壞,載荷重新分配到其余諸層中,并依次使第二層、第三層、……直到最后一層破壞。因此,單向復合材料層板是研究層板破壞的基礎。
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為了更加準確地對雙軸向纖維增強復合材料在雙向載荷作用下的強度進行預測,本文針對Tsai-Wu強度理論進行了理論分析和實驗研究。首先,討論Tsai-Wu張量準則在雙向纖維增強復合材料中的應用問題,并確定用雙軸拉伸實驗來測定準則其中的一個強度參數F12。其次,采用數值模擬方法,結合Taguchi實驗設計方法對十字形試件進行外形設計和參數優化,得到了中心應力水平高、過渡區域應力集中系數小的十字形試件。最后,對十字形試件進行不同載荷比的雙軸拉伸實驗,通過實驗數據計算得到強度參數F12,并擬合了該材料應力平面第一象限的強度包絡線。研究結果表明,經實驗數據修正后的Tsai-Wu強度包絡線能夠準確地反映出材料的強度特性。
硼纖維增強復合材料是指以硼纖維為增強劑的復合材料 。
按照基體的種類,可分為硼纖維增強樹脂基復合材料和硼纖維增強金屬基復合材料兩大類 。
常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、塑膠等。作為纖維增強材料的還有硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。土木工程領域常用的FRP材料主要有;碳纖維增強聚合物復合材料( CFRP)、玻璃纖維增強聚合物復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強聚合物復合材料( AFRP)。