双向纤维增强复合材料的等效性能预测

江五贵

南昌航空大学

摘要

提出一种简化的微观结构解析模型，分别预测纤维泊松比的变化、纤维/基体模量比的变化以及纤维体积含量的变化对连续双向纤维增强复合材料（BFRC）宏观等效弹性模量和抗拉强度的影响。通过ABAQUS有限元建立了三维（3D）代表性体积单元（RVE）的细观模型与其进行对比，验证了模型的可靠性。采用均匀化有限元的方法，基于表面的内聚力行为来研究无厚界面情况下，界面性能对BFRC的宏观等效弹性模量和抗拉强度的影响。结果表明：BFRC的抗拉强度受粘度系数的影响较小；宏观等效参数都随着界面刚度的降低而逐渐减小；不同界面刚度下BFRC面外发生失效破坏的形式不太相同；与界面断裂能相比，界面强度和界面刚度对面外抗拉强度有显著影响，而对面内抗拉强度影响较小；随纤维含量的增加面内抗拉强度大幅增加，面外抗拉强度却逐渐减小；与不考虑界面情况相比，界面的存在会降低BFRC的抗拉强度。同时采用有限元方法用内聚模型代替具有一定厚度的界面相，进一步分析界面相厚度、模量及强度对BFRC力学性能的影响。结果表明：界面相厚度的减小，使得宏观等效弹性模量和泊松比都逐渐增加；界面相模量越大，BFRC等效弹性模量也越大，而抗拉强度却逐渐减小；界面相强度越大BFRC面外抗拉强度增加，但达到一定值后保持不变，面内抗拉强度随之增大；且面外抗拉强度值始终小于基体的抗拉强度。

DOI: 10.12110/firstfmge.20171121.316