纤维增强复合材料压缩破坏的细观力学研究

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纤维增强复合材料在强压(或强弯压)下的细观失稳过程是一个常见、但未能得到准确力学阐述的破坏行为。 本文从有限变形弹塑性分叉理论出发。首次系统地建立了纤维增强复合材料强压失稳的细观破坏力学框架。 文中首先分析以细观屈曲带为表征的压缩弹塑性分叉,得到了与实验压缩强度相符的理论预测结果:详细讨论了水平、倾斜、折曲、压曲等形式的屈曲带所刻划的压缩破坏模式:并首次明确的阐述了它们所对应的特征参数区间。对常见的折带型桥联破坏,采用Hutchinson塑性屈曲模型,第一次导出了适用于整个塑性过屈曲过程的桥联力有效渐近解和数值解(对S单增情况获得了封闭形式的解析解);并进而用J积分研究了韧性纤维桥联折带扩展时的增韧和总体应力应变响应。 作为上述屈曲带分析的一项必要补充,本文用基体的横向非线性弹性约束模型,从理论和数值计算上导出折带延伸时其顶端的扩展/触发层裂判据。并针对后一细观破坏模式提炼出强压复合材料的界面断裂模型。 在文中最后一章对Kevlar49增强韧性和脆性环氧的复合材料进行了压缩实验。实验所记录的材料压缩破坏应力—应变曲线初步验证了本文理论模型的预测。细观实验观察和细观光学分析清晰地展示了折带型破坏和层裂破坏的几何与变形特征。
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