CFRP构件制孔微结构断裂及界面损伤机理研究

As one of the most important parts of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) manufacturing, drilling will affect the joining, severing as well as maintaining process in the products' life cycle. The different fracture form for fiber and matrix in micro scale will cause damages (such as delamination, splitting etc.) in macro scale. The damage analysis of CFRP drilling becomes one of the troublesome problems in CFRP manufacturing. This foundation develops a new Sequential Coupled Multiscale Method (SCMM) which is based on the fracture analysis of fiber and matrix with thermal-mechanical effect, by focusing on the damage of CFRP drilling. In micro scale, the fracture and springback pattern of fiber and matrix is represented according to the thermal-mechanical analysis. In mesoscopic scale, besides thermal-mechanical effect, the effect of cutting angle and cycle are also analyzed to develop the fracture and damage model of mesoscopic cell, which is made up of fiber and matrix. In macro scale, the damages are divided into longitude and latitude types, which can be gained by integrating the fracture and damage model in micro and mesoscopic scale as well as the drilling experiment data. The research achievement of this foundation can enrich the basic theory of CFRP drilling, and is of great academic significance and valuable applicability.

碳纤维增强型复合材料（CFRP）构件以其轻而强、抗疲劳、抗腐蚀等特性广泛应用于航空、航天领域。在制孔力-热载荷作用下，CFRP构件极易发生分层、毛边、撕裂等损伤及缺陷，影响连接、服役、维护等生命周期，而这些损伤和缺陷都是由其微结构（纤维和基体）不同的断裂形式导致的。 本项目研究CFRP构件制孔微结构断裂与损伤缺陷之间的内在联系。以材料微-细-宏观尺度上的连续变化为主线，在理论分析、试验研究和计算仿真的基础上，采用串行耦合式多尺度分析方法，结合不同尺度下的钻削力与钻削热，探索在微观尺度下纤维、基体受力热耦合作用的断裂及回缩规律；研究细观尺度下单层及多层结构单元在切削角度与周期影响下的断裂规律与损伤机理；揭示宏观尺度下沿孔壁经度方向（粗糙度）和纬度方向（分层）的损伤机理；形成CFRP构件制孔损伤抑制策略。本研究能补充和丰富CFRP构件精密制孔基础理论，为CFRP服役寿命增益提供关键理论基础。

碳纤维增强型复合材料（CFRP）构件以其轻而强、抗疲劳、抗腐蚀等特性广泛应用于航空、航天领域。在制孔力-热载荷作用下，CFRP构件极易发生分层、毛边、撕裂等损伤及缺陷，影响连接、服役、维护等生命周期，而这些损伤和缺陷都是由其微结构（纤维和基体）不同的断裂形式导致的。. 本项目重点研究CFRP构件制孔微结构断裂与损伤缺陷之间的内在联系。采用“理论分析→计算仿真→实验验证”的技术路线分析微观、细观、宏观尺度上CFRP构件制孔损伤机理。从微观特征单元（Representative Volume Element，RVE）受载变形分析出发，基于最小势能原理和半无限长RVE假设，构建了微观RVE切削的力学解析模型，揭示了RVE受载的断裂及回缩机理；在微观RVE断裂的基础上，融入热力耦合载荷，构建了纤维、基体、界面等在细观尺度下受载变形的屈服和断裂机理，揭示了CFRP细观热力耦合切削过程中的屈服与断裂行为；在微观与细观RVE断裂分析的基础上，应用混合失效准则和刚度退化准则表征层间损伤演化本构关系，在弹性断裂力学、各向异性板壳理论的基础上构建了基于虚拟断裂能的复合材料有支撑/无支撑制孔临界分层力模型。. 截至2016年12月，本项目成果共发表学术论文12篇，其中SCI源刊9篇，获国家发明专利授权3项，受理后公开2项。相关研究成果作为主要创新点之一获陕西省科学技术奖一等奖1项。共培养博士研究生2名，硕士研究生4名。