基于裂纹尖端场实验信息的缝合复合材料断裂力学行为的研究

缝合复合材料作为航空航天等应用领域中的重要材料，关于其断裂力学行为的实验研究具有十分重要的意义。本项目拟主要采用光测实验力学方法，通过断裂裂纹尖端场信息，对缝合复合材料的断裂力学行为进行系统的实验研究。将着重研究以下两个方面的内容：其一，采用光测实验力学方法，研究缝合复合材料在不同外加载荷下的断裂裂尖场分布及特征，以分析裂纹开裂、裂纹扩展及最终破坏的动态断裂过程；其二，研究缝线参数（如缝线角度，缝线密度，缝线材料等）在缝合复合材料的断裂力学行为中的重要作用，讨论缝线参数对于设计和制备缝合复合材料的重要影响。此外，本项目将采用有限元方法数值模拟缝合复合材料的断裂力学过程，为实验分析提供必要的参考和支持，更加完善对于缝合复合材料断裂力学行为的探究和认知。

缝合，是复合材料改进抗断裂抗分层破坏力学性能的备选方法，也是实际应用中拼接复合材料的采用手段。本项目利用光测实验力学方法，基于实验获取的材料屈曲和断裂行为的力学变形参量场信息，研究了缝合对于材料抗断裂抗分层力学性能的影响。项目通过对光测实验力学技术的改进，实现了极坐标系下平面变形场的直接测量，裂纹尖端局部区域和远场全局区域变形场的实时测量，平面和离面三维变形场的同步测量，以及静态变化特征和动态变化过程的全程测量。这为材料的屈曲和断裂行为及其动态过程的观测，以及变形力学参量场提取和分析，提供了有效可行的实验保障。在复合材料的应用中，为了改进材料抵抗厚度方向的离面变形或者离面分层破坏的力学性能，通常采用沿着厚度方向的离面缝合。同时，复合材料进行拼接时，需要沿着材料长宽平面方向进行面内缝合。本项目分别讨论离面缝合和面内缝合对于材料抗分层抗断裂力学性能的影响。 在分析离面缝合中，以未缝合复合材料和缝合后复合材料为载体，研究其屈曲变形行为及过程，探究缝线对于材料抵抗分层破坏力学性能的影响，发现：离面缝合试件的面内位移场和离面位移场都发生了改变，包括位移数值的大小、最大值出现的位置、位移场的分布特征。其中，沿厚度方向的缝线减小了离面位移，即限制了离面分层的幅度。但发生离面分层的范围增大了，这可能由于穿刺和缝合操作对层合板带来了较大的损伤。缝合后复合材料三维位移场的变化，是由厚度方向引入缝线带来的，包括缝线分布特点、缝线本身在穿刺缝合过程中力学特征的变化、缝合针口位置的特点等因素。在面内缝合中，选择聚合物基体材料为研究对象，讨论了缝线对于基体材料抗断裂力学性能的影响，以及改变缝线布线角度对材料性能带来的影响。发现通过面内缝合，使得缝合针孔周围和缝合拼接口附近的基体材料在承受外载作用时，呈现不同的变形特征，包括平面内扩张变形，或者收缩变形。且变形特征随缝线布线角度而变化。即，选用不同布线角度通过面内缝合拼接同样的材料，拼接口周围材料的抗断裂力学性能会因布线角度的不同而有差异。如上研究表明，无论对于离面缝合还是面内缝合，无论对于增强纤维还是对于基体，缝线的引入对于材料抗分层抗断裂力学性能会带来改变，并受到缝线参数的影响，包括缝线角度、缝线密度等因素。同时，由于穿刺缝合会对缝合操作，会对基体材料或增强纤维带来的破坏，使得材料抵抗分层抵抗断裂的力学性能发生变化并具有某些特征。