纤维增强型复合材料中拼接结构力学性能的多尺度分析

Due to high strength and low density, fiber reinforced plastics (FRP) have been used widely, and FRP structures with large size are required by more and more applications. When the FRP structure becomes large, only one reinforcement ply may not large enough. In this case, it is required to splice two or more plies to meet the size requirement. However, the ply splice structure will play like a defect in a FRP structure and decrease the mechanical property. In order to use the FRP product with ply splice structures safely, it is necessary to master its mechanical properties. In this project, we will study the mechanical properties of ply splice structures in unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under tensile and flexural loadings. Factors affecting the property of this structure in the scale from micro to macro levels will be studied. For studying the force transmission and failure mechanism of this structure, digital image correlation (DIC) technique will be used to measure the strain distribution of the structure under loadings, acoustic emission (AE) technique will be adopted to analyze the fracture mode during the failure process, and simulation work will be done to analyze the stress state in meso and macro scales inside the material. Finally a model to describe the relationship between the factors in different scales and the strength of ply splice structures will be constructed based on the experimental and simulation works.

由于纤维增强复合材料（FRP）具有高强度、低密度等优良特性，目前已越来越广泛地应用到生产生活的各个方面，并且复合材料结构越来越大型化。当复合材料结构的尺寸越来越大的时候，就不得不面对增强体材料宽度甚至是长度不够而需要采取铺层拼接来满足构件尺寸的情况。拼接结构的引入必然会对构件的力学性能产生影响。本项目将对单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）中的拼接结构在拉伸和弯曲作用下的力学性能展开研究。从微观、细观和宏观三个层面分析拼接结构力学性能的影响因素。将采用数字图像相关技术（DIC）对结构受力过程中的应变分布情况进行测量，并采用声发射探测技术(AE)对材料损伤过程进行监测,结合数值模拟研究从结构细观以及宏观受力情况分析结构在各因素影响下的载荷传递及损伤演化机理，基于实验和数值模拟结果构建强度模型，为拼接结构的设计、性能计算与评估提供研究基础和技术支撑。

由于纤维增强复合材料（FRP）具有高强度、低密度等优良特性，目前已越来越广泛地应用到生产生活的各个方面，并且复合材料结构越来越大型化。当复合材料结构的尺寸越来越大的时候，就不得不面对增强体材料宽度甚至是长度不够而需要采取铺层拼接来满足构件尺寸的情况。拼接结构的引入必然会对构件的力学性能产生影响。本项目对单向碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）中的拼接结构在拉伸和弯曲作用下的力学性能以实验为主要手段展开了研究。测试技术方面，成功利用数字图像相关技术（DIC）对狭长区域（宽度仅为2.2mm）的应变分布情况进行了测量；选取了合理的判据，利用声发射探测技术(AE)对材料损伤过程中的破坏模式进行了较为准确的识别。利用ABAQUS软件，通过数值模拟研究了载荷传递及损伤演化机理。拼接结构的力学性能方面，当邻层的拼接出现在同一位置时（其他层无拼接），拉伸载荷作用下拼接引起的应力集中导致铺层拼接处发生破坏，继而导致拼接铺层与连续铺层间发生层间剪切破坏；连续铺层在拼接导致的应力集中的影响下未发生破坏；发生层间破坏后，拉伸载荷完全由连续铺层承载，最终承载能力近似于连续铺层总的承载能力。拼接出现在层合板中间位置时，对材料的弯曲性能没有显著影响。当存在两个拼接位置并处于上下位置时，拉伸载荷作用下两个拼接位置引起的应力集中会产生耦合作用，使得在拉伸过程中部分连续铺层发生破坏，导致最终强度低于拼接出现在同一位置的情况。拼接越靠近层合板的表面铺层，对弯曲性能的影响越大。考虑真实的拼接情况，实验结果表明拼接结构的引入的确大大降低了CFRP材料的拉伸强度；结构破坏从拼接位置开始，拼接位置处的应力集中现象是导致材料强度减弱的关键因素，结构最终破坏模式为层间破坏；拼接结构导致的结构不对称性加剧了拼接位置的层间剪切和侧向拉伸，严重影响结构强度。因此，工程应用中设计铺层拼接时应尽量根据受力特点将拼接结构设计成对称结构，同时尽量降低拼接处的应力集中程度。