实验与数值耦合法研究随机植物短纤维复合材料断裂行为

在国外天然云杉短纤维/聚丙烯复合材料的木纤维体积含量已高达60％，因质轻、断裂韧性高，日益成为汽车、高速列车和飞机内承力构件的首选；又因汽车构件的年使用量巨大、更新率高，而该材料可降解、可循环使用、环境友好，当今对自然资源再利用、环境保护要求迫切，该材料的应用、研究价值更为突出。因这类材料用于动态承力构件，对材料及其结构件的断裂力学设计已经提到研究日程中。国内这类材料的应用、研究还在起步阶段，有待开发。.本项目用在线、高精度数字图像相关测量方法，与位移模式有限元方法结合，实现准确测量这类随机短纤维复合材料的断裂力学参数，如J积分等。将弹塑性有限元法，与生成随机分布的有限单元技术结合，考虑具有不同直径、长度的随机短纤维微结构因素，实现对随机植物短纤维复合材料拉伸和断裂行为的直接数值模拟和断裂力学参数预测。上述实验与数值方法的耦合研究，可为这类材料及其结构件的优化设计，提供可靠的分析数据。

天然云杉短纤维增强聚丙烯复合材料（云杉/PP）因质轻、断裂韧性高、可降解、可循环利用，日益成为汽车、高速列车和飞机内承力构件的首选，对这类材料及其结构件的断裂力学设计已经提到研究日程中。. 采用双CCD同步图像采集系统结合Instron电推式试验机，对短云杉/PP复合材料的CT试件进行断裂实验，在线、实时采集试件表面在不同载荷下的变形与损伤图像，监测了试件由裂纹起始扩展、撕裂到最终失效的演化过程。用数字图像相关方法（DICM）测量了不同载荷下裂纹尖端附近变形场。用实验与数值混合法，实现准确测量这类随机短纤维复合材料的断裂力学参数，如J积分等。该混合法结果与均匀各向同性模型分析结果吻合较好，混合法可用于计算云杉短纤维复合材料的断裂力学参数。. 建立了随机短云杉/PP复合材料的变尺度周期性代表胞元模型，考虑了云杉纤维各向异性、纤维随机材料主方向、随机位置、随机取向、长细比和体积含量等因素的影响，采用均匀化方法计算了材料的等效弹性性能，对两种不同纤维含量的复合材料，研究了胞元尺度对短云杉/PP复合材料的等效性能的影响。. 结果表明，由于在细观尺度上云杉纤维的各向异性和随机分布，使短云杉/PP复合材料在局部细观尺度下呈现不均匀性和随机各向异性，并影响材料的宏观增韧、损伤演化机制；随着胞元尺度尺度增大，材料宏观等效性能趋于均匀各向同性。. 将弹塑性有限元法，与生成随机分布的有限单元技术结合，考虑具有不同直径、长度的随机短纤维微结构因素，实现对随机短纤维复合材料拉伸和断裂行为的直接数值模拟和断裂力学参数预测。研究了随机短纤维微结构特征对复合材料拉伸和断裂行为的影响。. 采用Cohesive Zone Model（CZM）界面模型表征云杉纤维与PP基体界面相的力学行为，建立具有不同纤维含量的随机短云杉/PP复合材料的有限元模型，考虑了云杉纤维各向异性弹性、纤维随机材料主方向和随机位置，PP基体为弹塑性材料。研究了纤维基体间界面相性能对随机短云杉/PP复合材料宏观拉伸和断裂力学行为的影响。本项目的实验与数值耦合方法研究结果，可为这类材料及其结构件的优化设计，提供可靠的分析数据。