托盘用竹木复合层合板在疲劳/蠕变交互作用下断裂损伤研究

研究了在疲劳/蠕变交互作用下竹木复合层合板的断裂损伤行为.结果表明,在交变载荷最大值为75%的应力水平下,其疲劳/蠕变断裂曲线为3段式曲线;在55%的应力水平下,15小时内其疲劳/蠕变曲线为两段式曲线.随着最大载荷保持时间的增加,层合板的断裂寿命降低.在疲劳/蠕变交互作用下层合板的破坏形式主要为纤维撕裂、界面剪切破坏和层间开裂3种形式的综合表现.影响疲劳/蠕变断裂寿命分散性的因素主要有层合板的铺设结构、木材缺陷和竹材结构等的影响.     

组合载荷下含缺口纤维增强树脂基复合材料的失效分析

为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏,本文采用改进的Arcan夹具,在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板（[-45/90/45/0]_s）进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法（DICM）测量了层合板表面层的裂纹发展过程,在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型,为准确模拟裂纹尖端的应力场,模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响,文中分析了两种不同的边界条件,即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现,加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度,放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。     

缝合层合板的I型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性.采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为.为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响, 用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的I型层间断裂韧性值(GIC)的基础上, 分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系; 以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标, 以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺; 采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察, 分析和考察了缝合对其它性能的影响.结果表明 改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的I型层间断裂韧性测试; 缝合后裂纹不连续扩展, 缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响; 随着缝合密度的增大, 层间断裂韧性值增大, 但拉伸和弯曲强度降低, 缝合密度存在最佳值.     

含孔CFRP正交层合板的双轴拉伸力学行为

采用加载臂开槽的中心开孔等厚度十字形试样,实验研究了正交对称铺层碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）层合板在双轴拉伸载荷作用下的力学行为,分析了3种双轴加载比对其拉伸强度和破坏行为的影响。研究表明:纤维被切断的铺层部分在拉伸作用下容易与其相邻铺层脱粘,导致层合板承载力下降;等双轴加载时,在孔边的被切断纤维与连续纤维间基体在横向拉伸和纵向剪切组合作用下首先开裂;非等双轴加载时,在垂直于快速拉伸方向的铺层中沿孔边应力集中处先出现基体裂纹;随着加载比的增大,快速拉伸方向的细观结构损伤随载荷的增大发展更快,刚度下降更快,破坏时主裂纹的扩展方向更趋于垂直于快速拉伸方向;强度包络线的分析表明快速拉伸方向的拉伸强度随加载比的增大呈缓慢增大的趋势。      

缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性研究

通过缝合的方法改善织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性．采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了缝合层合板的层间断裂韧性与断裂行为．为了评价缝合工艺参数(缝合密度)对层间断裂韧性的影响，用改进的插入型夹具在实测不同缝合工艺层合板的Ⅰ型层间断裂韧性值(GIC)的基础上，分析和阐明了缝合工艺参数(缝合密度)与GIC间的关系；以提高层合板的平均层间断裂韧性值为目标，以拉伸和弯曲强度为约束条件优化了缝合工艺；采用摄影显微镜对分层断裂面进行了观察，分析和考察了缝合对其它性能的影响．结果表明：改进的插入型夹具可方便地完成缝合层合板的Ⅰ型层间断裂韧性测试；缝合后裂纹不连续扩展，缝合密度对裂纹扩展行为有较大影响；随着缝合密度的增大，层间断裂韧性值增大，但拉伸和弯曲强度降低，缝合密度存在最佳值。     

2024-T3铝合金的动态断裂韧性

目的实现2024-T3铝合金动态断裂韧性的测量,揭示加载速率对动态断裂韧性的影响机理。方法采用屏蔽措施避免电磁干扰,测量2024-T3铝合金在不同加载速率下的动态断裂韧性,采用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌,理论分析加载速率对动态断裂韧性的影响机理。结果当加载速率小于103MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,2024-T3铝合金的动态断裂韧性约为35 MPa·m~(1/2);当加载速率高于105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,动态断裂韧性超过40 MPa·m~(1/2),且随加载速率的增加而不断增大至101 MPa·m~(1/2)。断口分析表明,加载速率较低时,断口形貌为微孔聚集型;当加载速率超过105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,断口特征由延性韧窝向准解理形态转变。理论分析表明,上述现象主要是由于裂纹尖端的无位错区域尺寸随加载速率的增大而减小,位错对裂纹尖端应力场的屏蔽效应增大,从而导致裂纹起裂后迅速由韧窝状态向准解理状态转变。结论电磁屏蔽后的电阻应变片法,能够准确测量电磁环境下2024-T3铝合金的动态断裂韧性,且动态断裂韧性表现出明显的应变率敏感性;2024-T3铝合金的微观断裂机制在准静态下为微孔聚集型,加载速率超过105MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,材料的断裂表现为由延性韧窝形态向准解理形态转变。     

具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能

采用液相浸渍·炭化和CVI复合工艺,制备出在炭纤维和热解炭之间具有中间相沥青过渡层的炭/炭复合材料,借助偏光显微镜、扫描电镜,透射电镜以及力学性能测试研究了所制备的炭/炭复合材料的微观结构与力学性能.结果表明;在偏光显微镜下中间相沥青炭的光学活性高于热解炭的光学活性,中间相沥青炭在SEM和TEM下均呈片层条带状结构,热解炭在SEM下呈"皱褶状"片层结构,在TEM下为粒状结构;在HRTEM下,中间相沥青炭、热解炭和炭纤维的晶化程度依次降低.在加载过程中,材料内部多层次的界面通过改变裂纹扩展路径而延缓其扩展速度,在断口形貌上体现出锯齿状的断裂形式,纤维拔出长度适中,材料表现出韧性破坏的断裂特征.材料具有较高的力学性能,抗弯强度达到244MPa,断裂韧性达到9.7MPa·m1/2.     

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_2s和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。      

含环氧-SiC 复合微/ 纳米纤维的层合板制备及其力学性能

应用同轴静电纺丝技术制备环氧包覆纳米SiC 复合微/ 纳米纤维, 将该复合微/ 纳米纤维收集成无纺布薄膜引入层合板层间界面并固化成型, 研究其对层合板力学性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM) 和透射电子显微镜( TEM) 分析了微/ 纳米纤维的形貌和结构, 并测试了微/ 纳米纤维薄膜的拉伸性能。应用三点弯曲、短梁剪切和简支式冲击实验测定了层合板的弯曲性能、层间剪切强度和冲击韧性。结果表明, 一定厚度及一定SiC 含量的微/ 纳米纤维无纺布薄膜对层合板的力学性能无显著影响。     

纤维增强复合材料层合板缺口尺寸及形状效应数值模拟

通过考虑基体裂纹、纤维断裂、层内劈裂和层间脱层等破坏形式,建立三维有限元模型研究含中心圆孔和中心裂缝的准各向同性复合材料层合板([45/0/-45/90]_(2S))在拉伸载荷下的缺口尺寸效应及缺口形状效应。模拟结果显示:随着缺口尺寸的增大,层合板的破坏强度逐渐降低,然而,在本文研究范围内含中心裂缝的层合板破坏强度始终高于对应的含中心圆孔的层合板破坏强度。进一步分析有限元模拟结果表明,含中心裂缝的层合板亚临界损伤发生得更早,并且亚临界损伤范围更大,亚临界损伤会大大缓解缺口尖端的应力集中,从而使含中心裂缝层合板表现出更高的破坏强度。     

木材断裂解离分形特征与分形断裂力学模型研究

目的 以椴木为研究对象,研究冲击载荷作用下椴木试件的断裂解离形貌特征和断裂力学特性,建立适用于木材原料断裂解离的分形断裂力学模型,并对其断裂解离力学行为进行描述。方法 对椴木试件进行冲击加载试验,分析试件断口的形貌特征和断裂力学特性,构建适用于木材原料断裂解离的分形断裂力学模型。结果 椴木试件横向冲击断裂断口裂纹形状和断口形貌特征比纵向冲击复杂,横、纵向冲击断裂断口均具有分形特征;椴木试件纵向冲击断裂韧性均值是横向冲击断裂韧性均值的1.112倍,椴木试件横、纵向冲击断口的分形维数均值分别为2.063 5和2.075 1,椴木试件横、纵向冲击韧性与其断口分形维数之间存在线性正相关关系,拟合优度分别为0.778 7和0.812 2;构建的木材原料断裂解离临界解离应力和断裂韧性的分形断裂力学模型也适用于脆性材料。结论 在木材原料冲击断裂解离时,木材原料初始裂纹长度越短,断裂解离断口越粗糙复杂,木材原料断裂解离所需要的能量越大;当裂纹沿着与冲击加载力方向垂直成大约1.055rad方向扩展时所需的能量最小,木材原料最易沿该方向进行断裂解离。     

钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响

通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并基于线性相关系数陡降法计算了起裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度明显高于普通乱向钢纤维增强水泥基复合材料;起裂韧度随钢纤维体积分数的增加而逐渐增大,当钢纤维体积分数达到0.9%左右时,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度值趋于稳定;在本试件高度范围内(40~100mm),起裂韧度随试件尺寸增加而逐渐增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的增长趋势较为平缓。此外,从裂缝尖端夹杂改变其应力强度因子的角度解释了钢纤维的掺入及定向对起裂韧度的提高作用。     

湿热环境下复合材料的混合型层间断裂特性研究

采用混合型挠曲(MMF)试件,研究了材料吸湿和环境温度对T300/5405复合材料混合型层间断裂韧性的影响。给出了在不同温度下,不同吸湿含量试件分层临界扩展时的Ⅰ型分量和Ⅱ型能量释放率分量散点图。结果表明:在吸湿和温度的综合作用下,分层尖端存在塑性变形;常温下,吸湿对材料的层间断裂韧性影响不明显,在高温环境中,随吸湿量增加,层间断裂韧性显著增加;温度对干态材料的断裂韧性影响较小,试件吸湿后,随温度升高,韧性增强。     

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

Effect of compressive transverse normal stress on mode II fracture toughness in polymeric composites

Effect of transverse normal stress on mode II fracture toughness of unidirectional fiber reinforced composites was studied experimentally in conjunction with finite element analyses. Mode II fracture tests were conducted on the S2/8552 glass/epoxy composite using off-axis specimens with a through thickness crack. The finite element method was employed to perform stress analyses from which mode II fracture toughness was extracted. In the analysis, crack surface contact friction effect was considered. It was found that the transverse normal compressive stress has significant effect on mode II fracture toughness of the composite. Moreover, the fracture toughness measured using the off-axis specimen was found to be quite different from that evaluated using the conventional end notched flexural (ENF) specimen in three-point bending. It was found that mode II fracture toughness cannot be characterized by the crack tip singular shear stress alone; nonsingular stresses ahead of the crack tip appear to have substantial influence on the apparent mode II fracture toughness of the composite.     

Influence of microstructure on fracture toughness distribution in ceramic-metal functionally graded materials

This paper deals with the influence of microstructure on fracture toughness distribution in functionally graded materials (FGMs) consisting of partially stabilized zirconia (PSZ) and austenitic stainless steel SUS 304. FGMs and non-graded composites (non-FGMs) with fine and coarse microstructures are fabricated by powder metallurgy using PSZ and two kinds of SUS 304 powders. The fracture toughness is determined by conventional tests for several non-FGMs with each material composition and by a method utilizing stable crack growth in FGMs. The obtained results on the fracture toughness are as follows: (1) The fracture toughness increases with an increase in a content of SUS 304 on both FGMs and non-FGMs. (2) On the fracture toughness of the non-FGMs, the influence of microstructure is negligible. (3) On the FGMs, the fracture toughness is higher in the FGM with fine microstructure than in the FGM with coarse microstructure. (4) The fracture toughness of the FGMs is higher than that of the non-FGMs especially in the case of fine microstructure. Finally, the residual stress in the FGMs created in a fabrication process is estimated from the difference in fracture toughness between the FGMs and non-FGMs.     

A sandwich three-point bend specimen for testing mode-I interlaminar fracture toughness for fiber-reinforced composite materials

A sandwich three-point bend specimen has recently been proposed to test mode-I interlaminar fracture toughness for fiber-reinforced composite materials. The test composite consist of a thin layer bonded by two lateral reusable steel bars (Sohn et al. 1995). Some time earlier this specimen configuration was used to test fracture toughness of adhesives (Zdaniewsk et al. 1987). However, formulae for analysing its fracture mechanics parameters such as stress intensity factor and energy release rate can not be found in the literature. The lack of adequate formulae may explain why suitable quantitative analysis using this specimen configuration has not been achieved. In this paper, a simple and effective homogenisation method is used to change the bi-material system, which represents the specimen, into single uniform test material. This physical homogenisation is carried out by geometric change of the cross section of lateral steel parts based on equal deflection rigidity. For the transformed specimen configuration of single uniform material, the corresponding stress intensity factor solution from handbooks is available. Two formulae of stress intensity factor for the sandwich three-point bend specimen are given as upper limit and lower limit respectively, they are plotted with varying elastic tensile modulus mismatch. Then the relation between stress intensity factor and energy release rate, with special consideration of orthotropy of the tested composite material, is used to derive its energy release rate. The specimen and its formulae can also be applied to test other materials such as wood, welded joints (Burstow and Ainsworth, 1995), as well as to test dynamic fracture toughness. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.