纤维增强复合材料界面疲劳脱粘的数值模拟.pdf

北京交通大学博士学位论文纤维增强复合材料界面疲劳脱粘的数值模拟姓名:张溶申请学位级别:博士专业:结构工程指导教师:石志飞 20081101 中文摘要中文摘要摘要:纤维复合材料以其优越的性能在诸多领域得到日益广泛的应用,与其它工程材料不同的是,纤维复合材料界面的损伤以及界面损伤在往复荷载作用下的发展,对复合材料的宏观性能有重要的影响。工程实践表明,疲劳损伤会降低材料和结构的安全可靠度并缩短其使用寿命,甚至可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。作为纤维复合材料重要组成部分的微结构一界面,它的抗疲劳性能直接决定材料和结构的整体宏观疲劳特性,所以界面的疲劳研究己逐渐受到研究者的关注。本文的主要研究内容包括: (1)将有限元、数值微分与断裂力学的基本理论相结合,提出了考虑脱粘界面摩擦力衰减的数值方法,通过对通用有限元软件ANSYS的二次开发,成功实现了对纤维增强复合材料界面疲劳脱粘的数值模拟。用该数值方法不仅成功解决了利用解析方法无法解决的基体刚度不均匀哀减时纤维与基体界而的疲劳脱粘,而且对有解析解的问题,给出了解析结果与数值结果之比较,并指出了两者之间产生差别的原因。(2)针对新近研发出来的一类新型纤维增强复合材料一纤维带功能梯度涂层的复合材料,引入幂指数函数表示涂层弹性模量的梯度特性,分别对纤维/涂层和基体/涂层两种单界面疲劳脱粘问题进行了解析分析,并用数值方法验证了解析解的正确性。并由脱粘长度和随机基体裂纹问距预测了材料总体应变随荷载循环次数的变化。(3)提出了考虑脱粘界面摩擦力衰减的纤维增强复合材料的双裂纹疲劳扩展数值方法,并模拟了纤维涂层的双界而疲劳脱粘以及基体环形裂纹和界而脱粘的同时扩展,研究了影响双裂纹疲劳扩展的材料和儿何因素。(4)分别研究了混凝上冻融损伤和钢筋腐蚀条件下的界面疲劳脱粘。对一个工程实例一碳纤维布加同的混凝土梁中部受循环集中荷载作用时钢筋/混凝土界面的疲劳脱粘问题,提出了数值模拟的方法并进行了参数影响分析研究。本文的研究为工程材料和结构的疲劳寿命预测及安全评估提供了一种有效的数值方法,也为新材料的开发和利用提供了理论基础。关键词:纤维增强复合材料;界面疲劳脱粘;功能梯度涂层:数值模拟:双裂纹; 钢筋混凝士分类号:TU313;TB332 北京交通大学博士学位论文 ABSTRACT ABSTRACT:Fiber posites(FRCs)have beenwidely utilizedinmany fieldsduring recent othermaterials,the interfacialfatigue behaviour is associated with theoverall properties isshown thattheservice lifeof materials and structures willbeshortened byfatiguedamage,and even economic losses and casualties willbe takes a very important role inFRCs properties,and hence the interfacialfatigue behaviour of FRCs is a concern posites science andtechnology. The investigations inthisthesis arelisted asfollows: (1)A numerical technique isproposed tosimulate theinterracialfatiguedebonding of FRCs while theinterfacedamage on debonded interfaceistaken technique is acombination offiniteelement method,numerical differentiation and fracturemechanics,and isca盯ied outby theaidofthesecondary development of thefiniteelement package analytical results areverifiedagainst the numerical results,while some errors caused by theassumptions intheanalytical solution ,the effectso