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1、维普资讯 http:/第 3O卷 第 9期机械工程材料Vo13O No92006年 9月M aterialsforM echanical EngineeringSep 2006缝合复合材料层板抗拉强度的预测李晨。许希武(南京航空航天大学结构强度研究所，江苏南京 210016)摘 要：提出了缝合复合材料层板抗拉强度微观分析方法，建立了针脚处纤维局部弯曲的几何模型，将有限元法、桥联模型和最大应力判据相结合，根据主承力层的失效得到层板的抗拉强度，预测的结果与试验值吻合较好。关键词：缝合复合材料层板；抗拉强度；有限元模型中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1000-3738(2006)09-
2、0010-03Tensile Strength ofStitched LaminatesLIChen。XU Xi-wu(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)Abstract：A micromethodwaspresented tOstudytensilestrengthofstitchedlaminatesA geometricalmodeloflocalwaviness of fiber around stitches was establisbed Finite element methods
3、were combined with bridging modeland maximum stresscriteriaTensilestreng th oflaminateswasobtained based on theanalysisof0。plyGood agreementis found eb tween analyticalna d experiment resultsKey words：stitched lamina te；tensilestrength；finiteelementmodel1 引 言目前用于飞行器结构的复合材料广泛采用的是层合结构，因抗冲击阻抗和冲击韧度低，阻碍了
4、复合材料结构设计许用应变的进一步提高。缝合复合材料就是针对改善层合结构抗冲击性能的一种新型复合材料结构，有望得到广泛应用。作为一种轻质高效结构材料，其基本力学性能的分析与预测是将该材料用于结构设计的重要前提，已成为复合材料学术界的研究热点和难点。文献15基于试验研究，针对纤维增强复合材料、缝合机织复合材料、缝合夹层复合材料等，初步探讨了缝合密度、缝合方向、缝合线半径、缝合线模量和缝合方式等缝合参数对材料抗拉强度的影响。多数试验表明，缝合后抗拉强度有所降低，试样沿缝合针脚断裂，缝合在针脚处引起的纤维弯曲、纤维断裂等微观损伤是影响抗拉强度的主要因素。文献3从张量理论角度出发，提出了缝合层板三维张量
5、失效判据，在蔡吴判据的基础上引进厚度方向的正应力控制量以考虑缝合线收稿日期：2005-08-09；修订 日期：2005一1025作者简介：李晨 (1978一)，女，陕西西安人，博士研究生。导师：许希武教授对强度的影响；文献6考虑了缝合影响层板强度的机理，提出将缝合针脚等效为圆孔以考虑针脚处的应力集中，将特征长度与点应力准则相结合来判定拉伸失效。综上所述，缝合在针脚处造成的微观损伤是决定缝合层板抗拉强度的主要因素，但以往的强度准则都未能加以考虑。作者提出了缝合复合材料层板抗拉强度微观分析方法，建立了针脚处纤维局部弯曲的几何模型，将有限元法、桥联模型和最大应力判据相结合，根据主承力层的失效得到层板
6、的抗拉强度，将预测结果与试验值进行了对比。2 缝合层板抗拉强度模型缝合在针脚处主要造成纤维弯曲和纤维断裂两种微观损伤，但 Mourit1指出，只有纤维断裂根数较多而且相对集中才有可能形成微裂纹，并对强度产生影响，而目前多采用干法缝合工艺，纤维断裂数小于 05 ，可以忽略不计。因此，缝合在针脚周围引起的明显的纤维弯曲就是影响纤维增强复合材料层板抗拉强度的主要原因。缝合层板中 O。铺层沿载荷方向刚度较大，是主要承力层，所以 O。铺层的纤维对缝合针脚处 的应力集中最敏感，因此缝合后 O。铺层的抗拉强度决定了 1O 维普资讯 http:/李晨，等：缝合复合材料层板抗拉强度的预测层板的抗拉强度。缝缋纠=
7、维21 缝合单层板抗拉强度分析；ij：以 9O。缝合的 O。铺层单层板为例 ，纤维弯曲形态见图 1，缝合针脚 的均匀分布形成了周期性的单胞结构，针距为 P，行距为 q，缝合线半径为 r。为使问题简化，作以下假设：在纤维弯曲部分假设纤维弯=l=苎曼 Z互一： 一t曲时没有初始应变【7；缝合线由于受挤压呈椭圆形，短轴为 r2，长轴平行于纤维铺层方向；纤维按正弦(或余弦)曲线弯曲，沿 Y向均匀分布l7；纤维最大弯曲角不小于某定值，碳纤维弯曲角不小于 85o 。：= 一=、 一、1、 一 j 一 -ZK 一ldfJ圈 2 9O。缝合层板 单胞纤维弯曲模型Fig2 Modeloffiberwavines
8、sin unit celloflaminates stitchedm 90。direction：f|l：I l：l 一IdlFig1 Fiberwavin ofstitchedlamina圈 3 O。缝合层板单胞 纤维弯曲模型单胞中的纤维形态见图 2，关于轴对称，单胞Fig3 Modeloffiberwavinessin unitcelloflaminates stitchedin0。direction长为 z，宽为 W，纤维弯曲幅度为口，阴影区是树脂聚集区，虚线以内的非阴影区域是纤维弯曲影响区，长单元统一划分，得到单胞的有限元模型见图 4，将划为 d，宽为 W，虚线以外是非影响区 ，纤维仍为
9、直线。分好的有限元网格导入 Abaqus软件进行计算l q， 硼： P， a r2(1)Dcz：lan85。ta毋85。、) (2)z( z)纤维弯曲方程为：(一 )口(一号)+口 而+d，Yo)，)一 (1+ W L口(、一号1+nJ(xo x TO+d，Y O)0 +(式中 z。一三一 。厶O。缝合层板的单胞形态见图 3，纤维弯曲区长度 d同式 2，纤维弯曲方程同式 3。Z P， W q， 口一 r4(4)单胞的纤维区采用四节点线性等参单元划分，树脂聚集区和缝合线采用四节点等参单元和三角形C圈 4 单胞有限元模型n 吕 4 Finite elementmodelofunitcell由于缝合
10、线横向模量与基体接近，等效为基体。纤维在各单元内近似为直线，纤维和基体混合区的单元的材料可看作单向纤维复合材料，根据纤维弯曲方程可得到各单元内的纤维体积分数Vf(z)：jf一2口sin(Wo一号)一2口 5z一I(zozzo+d)【 o(xxo或 勘+ )维普资讯 http:/李晨，等：缝合复合材料层板抗拉强度的预测+丢v厂干 L生一一 I(1O)式中、 、砖、 和 2分别为基体中z 向正应力、Y向正应力、剪应力、基体抗拉强度和抗压强度。当基体中的应力满足式 1O时发生破坏。在树脂 聚集区，单元应力等于基体应力，仍采用式 1O的最大应力判据。当纤维或基体破坏即达到缝合单层板的二IJA一IJB一
11、l失效应变。IJAD 一 啦22 缝合层板抗拉强度分析地一 0I、由于缝合层板各层变形一致，缝合层板的失效应变等于 O。单层板的失效应变 。，因此 ，缝合层板,tAD = UBCl的抗拉强度 Ob为 ：arb E 一 E 0(11)式中E 为缝合层板纵向等效刚度，由下式得到。E A1(1一)lh(12)脚 一A12A1，一 A12A2(13)式中A ( ，一1，2，6)为缝合层板刚度矩阵，由经典层板理论8得到；为缝合层板厚度。3 预测值与试验值比较an)一EA (J嗍+EA )I 为了验证强度模型的有效性，将模型用于文献1O3中多种缝合参数缝合层板的抗拉强度预测，该层板铺层为 0450- 45
12、90450-452。，由碳纤维 T300和韧性双马 QY8911-树脂铺设而成 ，缝合线为 kevlar29(167dtex)，名义厚度为 4mm，名义纤维体积分数为(603) 。缝合层板共六种，沿Lo n。 n。jO。或 9O。方向缝合，缝合密度分别为 3mmX3mm、8mmX5mm、10 mmx 10mm(针距 行距)。抗拉强度预测时纤维体积分数采用 6O 。nzns一+(一l(8) 由表 1可见 ，试验值与预测值的相对误差不超过 15 ，具有较高的预报精度，说明模型中的基本n 。一 n。一 n。一 oJ假设、应力分析及失效判据正确，也说明此模型可用于任意缝合密度、缝合方向及多种铺层顺序的
13、缝合层板抗拉强度的预测。4 结 论采用微观抗拉强度模型分析缝合复合材料层板的抗拉强度，预测值与试验值相对误差在 15 以内，吻合较好，说明模型有效，而且精度较高，可以用于多种缝合参数的层板的抗拉强度预测。(下转第 16页)维普资讯 http:/李峰，等：冷加工变形对 1Cr18Ni9Ti不锈钢在含溴醋酸溶液中耐腐蚀性能的影响加缓慢，其牺牲阳极的阴极保护作用已不再明显，而且随着塑性变形增大，1Cr18Ni9Ti的表面腐蚀产物膜中内应力聚集程度增大，完整的钝化膜越来越难以形成 ，故耐点蚀性能开始变劣。5 结 论(1)在室温 (25)与单轴拉伸的条件下，1Cr18Ni9Ti不锈钢产生 dr-马氏体相
14、 。随着变形量的增加，ar_马氏体相的数量增加。(2)在含溴醋酸溶液中，冷加工变形诱发的 a一马氏体相对 1Cr18Ni9Ti不锈钢 的耐点蚀性能有很大的影响。年腐蚀速率和点蚀电位随着变形量的增加呈现减小一增大一减小的规律。当变形量小于187 时，耐点蚀性能随变形量的增加而降低；当变形量在 187 2762 之间时，耐点蚀性能增强；当变形量大于 2762 时，耐点蚀性能又迅速下降。参考文献：13 Kamide Hidehiko，Sugawaxa Hideo Role of strain inducedmartensiteon stress corrosion cracking of18-8 s
15、tainless steelin H2SO4一NaC1solutionJJournaloftheJapanInstituteofM etals，1977，41(5)：528-534E23 XieJ H_Study on corrosion fatiguebehaviorsandmechanismofstainlesssteel316Lin HankSsolutionD-Beijing：UniversityofScience and Technology Beijing，1996。 方智，吴荫顺，曹备，等奥氏体 304不锈钢 在活化下的应力腐蚀与马氏体相变 J3中 国服饰与防护学报，1994，1
16、4(4)：277 282E4-徐瑞芬，许淳淳，薛慧勇，等1Cr18Ni9Ti不锈钢的马氏体相含量与孔蚀敏感性的相关研究 J3腐 蚀科学与防护技术，1998，10(4)：197201E53 DingBF，WuY SH，CaoB，eta1Martensitetransformationinduceby deformation and itsphase electrochemiealforstainlesssteelsAISI304and316LEJ3JournalofUniversityofSeienceand TechnoloryBeijing，2002，9(6)：437-440E63 Hann
17、ineH E Influenceofmetalurgicalvariableonenvironmentsensitivecracking ofausteniticaloysJ3IntemationalMetalsReviews，1979，(3)：85136E73 徐祖耀马氏体相变与马氏体EM3北京：科学出版社，1999E83 欧阳维真AIS1321奥氏体不锈钢在含氯离子介质中变形诱发马氏体与应力腐蚀破裂相关性研究D北京：北京化工大学，1996E93 许淳淳，张新生，胡刚AISI304不锈钢在冷加工过程中的微观组织变化J3北京化工大学学报，2002，29(6)：2731103 方智，吴荫顺，张琳
18、，等变形诱发马氏体对 304不锈钢在活化状态下电化学行为的影响 J3腐 蚀科学与防护技术，1997，9(1)：75 78-113 徐瑞芬，许淳淳，薛慧勇，等奥氏体不锈钢中马氏体含量对其钝化膜稳定性的影响J3材料保护，1998，31(9)：793mm 3mm8mm5mm10mmX 10mE试样种类试验值预测值相对误差试验值预测值相对误差试验值预测值相对误差| &f &|MPaMPafMPaf &|参考文献：13 MouritzAP，CoxBNAmechanisticapItothepropertiesofstitchedlami瑚tes【JCAITIpotes PartA，2000，31：127
19、E23 MouritzAP。Leong KH，HerszbergL A reviewoftheefectofstitching on thein-planemecha nicalpropertiesofibref-rein-forcedpolymerompositesEJc-IComposites：PartA，1997，28：979 9913 汪海复合材料缝合结构静强度研究D大连：大连理工大学，20014-1 程小全，赵龙，章怡宁缝合复合材料可用性简单层合板的基本性能 EJ北京航 空航天大学学报，2003，29(11)：10011005E53 AymerichF，PrioloP。SunC St
20、aticand fatiguebehaviourofstitched graphiteepoxy ompositeclaminatesJoC mposites Sciencena d Technology，2003，63：9O7917E63 邓传斌，张俊乾，李苹缝纫对复合材料层板面内单向拉伸强度的影响EJ重庆大学学报，2002，25(1)：9121-73 桂良进，范子杰，陈宗渝，等缝纫层合板的本构关系研究(I)缝纫单层板有效弹性常数分析 EJ复合材料学报，2002，19(1)：95 100E83 沈观林复合材料力学FM3北京：清华大学出版社，1994151 16193 Huang Z M Simulationofthemechanicalpropertiesofibrousfompositescby thebridgingmicromechanicsmodelEJomCop sites：Part A ，2001，32：143 172El0 李晨，许希武，汪海缝合复合材料层板面内力学性能试验与分析EJ南京航空航天大学学报，2005，37(2)：192197】6