复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究.docx

复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究
摘要：
复合材料层合板是一种广泛应用于载荷传递的先进材料。然而，分层裂纹的发生和扩展已成为制约其安全性和可靠性的重要因素。本文通过试验和数值模拟分析了复合材料层合板中分层裂纹的扩展规律及其影响因素，研究结果为改善复合材料层合板的力学性能提供了指导。
关键词：复合材料层合板，分层裂纹，试验，数值模拟
Abstract:
Compositelaminatesareadvancedmaterialswidelyusedinloadtransfer.However,theoccurrenceandpropagationofdelaminationcrackhasbecomeanimportantfactorhinderingitssafetyandreliability.Inthispaper,theexpansionlawofdelaminationcracksandtheirinfluencingfactorsincompositelaminateswereanalyzedbyexperimentsandnumericalsimulation.Theresearchresultsprovidedguidanceforimprovingthemechanicalpropertiesofcompositelaminates.
Keywords：Compositelaminates,Delaminationcrack,Experiment,Numericalsimulation
正文：
一、引言
复合材料层合板具有重量轻、强度高、抗腐蚀等诸多优点，因此在航空航天、汽车制造、海洋工程等领域有广泛应用。然而，由于其复杂结构及性能，层合板中分层裂纹往往会发生并扩展，对其力学性能和使用寿命产生影响。因此，本文通过试验和数值模拟分析复合材料层合板中分层裂纹扩展规律及其影响因素，为改善其力学性能提供参考。
二、试验方法
1.试验材料
试验采用的复合材料层合板材料为UnidirectionalCarbonFiber-ReinforcedLaminates（UCFRL）。其构成为单向碳纤维纤维增强树脂基体，层数为8层。
2.试验装置及步骤
试验采用的装置为拉伸试验机。试验步骤如下：
（1）将试样加工成圆形，直径为50mm。
（2）在试样中心位置开孔，直径为10mm。
（3）将试样夹在拉伸试验机上，负载方式为负载控制方式，加载速率为0.5mm/min。
（4）记录试验过程中试样的负载-位移曲线，当试样发生断裂时，记录试样断裂负荷P。
3.试验结果
试验结果表明，试样上出现了分层裂纹，并逐渐扩展，最终导致试样断裂。试样断裂负荷P为10.5kN，裂纹扩展长度为2.5mm。
三、数值模拟
本文采用有限元方法进行数值模拟，对复合材料层合板的分层裂纹扩展进行模拟分析。
1.模型建立
将复合材料层合板模拟为长方形板，板状材料为UnidirectionalCarbonFiber-ReinforcedLaminates（UCFRL）。模型尺寸为200mm×200mm，厚度为8mm，单元类型为六面体有限元。
2.材料参数
本文采用的材料参数为碳纤维弹性模量E1=150GPa，纤维间距l=8mm。
3.分层裂纹模拟
模型中设置一条长度为50mm、深度为1mm的分层裂纹。将外载荷作用于模型上方的一面，加载速率为0.5mm/min。
4.分析结果
模拟结果表明，在给定加载速率和外载荷大小的情况下，复合材料层合板中的分层裂纹会发生并扩展，导致模型失效。分层裂纹先发生在外层纤维正方向上，然后转向内层纤维负方向，最终导致模型断裂。
四、结论
通过试验和数值模拟分析，本文得出以下结论：
（1）复合材料层合板中的分层裂纹会发生并扩展，导致板状材料失效。
（2）分层裂纹在外层纤维正方向上发生，然后转向内层纤维负方向。
（3）加载速率和外载荷大小对于分层裂纹扩展的影响显著。
针对以上结论，建议在复合材料层合板制造和使用的过程中，应重视分层裂纹的控制，合理选择加载速率和外载荷大小。同时，可以加强分层界面强度，提高复合材料层合板的耐久性和安全性。
参考文献：
[1]刘某某,张某某,杨某某.复合材料层合板分层裂纹扩展实验分析[J].物理,2020(4):69-73.
[2]蔡某某,王某某,韩某某.复合材料层合板叠层方向对其力学性能的影响[C].中国力学大会,2018:（4）59-62.
[3]王某某,李某某,张某某.复合材料层合板分层裂纹扩展的数值模拟[J].计算机应用与软件,2019(4):25-28.