摘 要

由于复合材料具有许多独特的特点，比如比强度和比刚度高、抗疲劳性能和减震性能好、结构的可设计性和工艺性好，因此也越来越受到汽车、航空航天、船舶、军工以及体育器材等行业的重视，得到了广泛的应用。然而，纤维增强复合材料力学包括许多基本问题，且材料属性往往是较复杂而难以确定的。其材料属性的影响因素、影响规律也没有明确的结果。实验和解析的方法能解决的问题也有限，而且通常成本较高、耗时长，结果也往往不尽如人意。伴随着计算机技术和数值计算方法和理论的不断进步，人们开始利用计算机软件数值模拟的方法来研究纤维增强复合材料的力学性能，并取得了一些令人满意的结果。本文首先通过数值模拟的方法研究了复合材料从不同固化温度冷却至室温的过程中材料的热残余应力的水平，得到基体主要受拉伸应力作用,纤维主要受压缩应力作用,固化温度越高则所产生的残余应力越大。随后对比了含残余应力和不含残余应力的复合材料单胞模型在横向载荷下作用下，单胞中平面主应力的改变对复合材料损伤失效的影响，横向载荷对复合材料损伤失效影响由所承受的横向载荷种类决定。

关键词：纤维增强；数值模拟；热残余应力；单胞；损伤

Abstract

As the composite material has many unique characteristics, such as the specific strength and specific rigidity, fatigue and damping performance is good, the structure of the design and process is good, so more and more by the automotive, aerospace, ship, military As well as sports equipment and other industries attention, has been widely used. However, fiber-reinforced composites mechanics include many basic problems, and material properties are often more complex and difficult to determine. Its material properties of the influencing factors, the impact of the law there is no clear results. The problem that experiments and analytical methods can solve is limited, and the cost is high, time-consuming, the results are often not satisfactory. Along with the continuous progress of computer technology and numerical calculation methods and theories, people began to use the computer software numerical simulation method to study the mechanical properties of fiber reinforced composites, and achieved some satisfactory results. In this paper, the thermal residual stress of the composites is studied by means of numerical simulation. The matrix is mainly subjected to tensile stress, and the fiber is mainly subjected to compressive stress. The higher the curing temperature is, the higher the curing temperature is, The greater the residual stress produced. Then, the effect of the change of the principal stress on the damage of the composite under the action of transverse load and the effect of the transverse load on the damage failure of the composite material was studied by comparing the effect of the change of the principal stress in the cell with the residual stress and the residual stress without the residual stress. Bear the type of lateral load to decide.

Key Words：Fiber enhancement；numerical simulation；thermal residual stress；unit cell； damage

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文工作 2

第2章 数值模型 4

2.1 代表性体积单元 4

2.2 有限元建模 4

2.3 周期性边界条件 6

2.4 复合材料性能 6

2.5 残余应力理论分析 7

2.51应力应变分析 7

2.52 破坏准则 7

2.6 本章小结 8

第3章 热残余应力数值模拟 9

3.1 120℃热残余应力的大小和分布特点 9

3.2 温度差对应力分布的影响 11

3.3 本章小结 13

第4章 复合材料细观模型在横向载荷作用下力学响应 14

4.1 单轴拉伸载荷 14

4.2 单轴压缩载荷 16

4.3 平面剪切载荷 17

4.4 本章小结 19

第5章 总结与展望 20

5.1 总结 20

5.2 工作展望 20

参考文献 22

致 谢 24

绪论

引言

与一般金属材料相比，新型纤维增强复合材料往往具有较高的比强度、比模量，对于一些对强度和模量要求较高，而又希望能减轻重量的工业产品，如飞机的机身或者汽车的车身，使用复合材料往往能够很大程度减轻结构的自重；通常纤维增强复合材料也具有良好的抗疲劳性、易于设计性、耐腐蚀和抗振性；且在制造工艺中容易制造一次性成型的结构构件^[1-4]。由于复合材料的具有众多的优点，是工业快速发展过程中大量使用的材料，大约从50年代，科研人员就已经开始对其力学性能进行了研究^[4]。对于复合材料的研究，研究人员最初主要运用试验和解析方法，而试验方法在研究复合材料力学性能的过程中通常成本较高且耗时较长^[5]。另外，在实验过程中，往往需要获取任意时刻的实验现象，但对于实验过程来说这将十分复杂，对于研究细观、微观复合材料的形变和应力状态时，实验想获取准确数据更加困难。同样，解析法在复合材料的研究中也遇到了很大的问题，首先，复合材料结构往往十分复杂，它不像金属等材料那样具有规则和均匀性，并且它往往是不规则的，解析法难以对材料的复杂结构进行考虑。而对于纤维增强复合材料基体的损伤裂纹、纤维和基体间界面的脱粘以及纤维在基体中的随机分布等较为复杂的情况，解析方法也显得充满难度^[6]。在面对一些如复杂边界条件、材料具有非线性等问题中，解析法在解决这些问题时同样也难以得到令人十分满意的结果^[7]。

随着20世纪科学技术的发展，有限元理论和数值计算方法的也逐渐成熟，计算机技术的也得到了大幅提高，一大批的学者开始通过将数值计算方法应用于复合材料的计算机软件仿真模拟技术的研究中。如Shuangmei Zhao^[8]等对纤维增强复合材料制作而成的多盘式离合器的磨损过程进行了数值模拟计算；为了将计算结果与实验值进行进一步对比，国外的A.J. Wilkinson^[9]通过有限元方法并结合数值模拟软件对纤维增强复合材料中的塑性应力和应变进行了模拟计算；我国研究者刘政^[10]等也运用数值模拟方法对纤维增强复合材料制造流程中的凝固过程进行了模拟。而对于纤维增强复合材料固化过程产生的残余应力，由于纤维增强复合材料的物理、化学性能以及力学性能的复杂性，残余应力的产生极其影响因素也引起了许多学者的研究，另外残余应力对复合材料的力学性能和损伤失效的影响也具有很大的研究参考价值。

国内外研究现状

随着计算机和有限元理论的进步，陈心爽^[11]等通过有限单元法实现在荷载作用下，考虑损伤区域扩大并且不断扩展的损伤失效过程的数值模拟。1994 年，沈成武^[12]等利用有限元法实现了对复合材料制成的短梁板在四点纯弯曲受力状态时的的受力和损伤、破坏的过程的进行了数值模拟。2000 年，唐春安等^[13]通过数值模拟的方法对短纤维复合材料中的裂纹起始、发展直至完全破坏的整个过程进行了模拟，同时研究了复合材料中纤维与基体的强度以及弹性模量对短纤维复合材料的宏观力学性能的影响。张博明等^[14]通过有限元数值模拟技术创建了包含界面相的三维单向纤维增强树脂模型，得到了纤维增强复合材料的热残余应力的大小和分布。