复合材料失效及其强度理论.pdf
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1、拓年月第卷第期失效分析与预防,巧,复合材料失效及其强度理论王宝来,吴世平,梁军哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨关键词复合材料强度损伤随机性摘要材料的失效破坏是一个复杂的过程,迄今为止已有上百个理论模型来研究材料的强度间题,本文重点介绍了统一强度理论,它给出了一系列破坏准则,并建立了准则之间的关系。根据复合材料的特点以及基体、增强相、界面、工艺对复合材料强度的影响关系,阐述了复合材料的宏观强度理论中不同破坏准则之间的差异和特点,并指出采用宏观与细观相结合的方法研究复合材料损伤和强度理论的必要性。【中图分类号【文献标识码文章编号一仪万一一。一,一,创刀况刀移,”汉如口刀“,从王乙毗双哪,
2、月孑去巧侧刀,如旧抓田】昭。而加田】二犯,朋,】五比】。理,】昭压昭,一了,】己巧,云,五找】,出叙,而习引言随着科学技术的迅猛发展,工业、民用、国防等领域对材料性能 的要求也在不断提高,单一材料的各种性能已经很难满足其使用要求,复合材料则应运而生,复合材料是由两种或多种材料在宏观尺度上组合成的一种 材料复合材料相对于单一材料的优点是显著的,不仅具有各种组分材料的良好特性,而且有些特性是组分材料所不具备的,复合材料能在以下 的各个方面对组分材料进行改善,如强度、刚度、疲劳寿命、耐腐蚀性、耐磨性、导热性、隔音性等几当然上述性能不可能 同时改善,可以根据材料使用功能的具体要求对材料进行相应的设计。
3、由于复合材料是由多种组分材料组合而成,因此一般具有非均质性,其力学性能也具有了新的特点、明显的各向异性、不均匀性和一定程度上的不连续性、各种模量和各种强度的不均衡性、几何非线性和材料非线性侧。由于复合材料和单一材料之间有很大的差异,它的本构关系比各 向同性材料要复杂得多,以往单一材料的各种理论都不再适、用,因此要建立与复合材料相适应的物理数学模型,通过本构关系的研究比较精确的计算出材料在外载荷作用下的应力一应变响应视律,这是复合材料强度预报的基础。比如对于单向纤维增强复合材料以及层合板结构材料,比较知名的非线性本构理论有和在年提出的剪切非线性模型以及和在年提出 的多模量非 线性模型。最近英国的
4、工程和自然科学研究委员会和机械工程师协会联合组织完成了一个针对纤维增强复合材料本构与强度理论研究现状的研讨会,这次研讨会被国外称为“破坏分析奥运会”可见 由于复合材料和单一材料很多性质发生了本质的变化,所以需要寻求一些新的理论来真正地描述出复合材料的收稿日期田年月日修订日期巧年月日基金项目国家 自然科学基金资助叫闷教育部博士点基金资助。作者简介 王宝来一,男,博士研究生,主要从事复合材料强度问题研究。1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/失效分析与预防第卷各种
5、性质复合材料的强度、损伤问题对于材料来说都是很重要的,本文将从不 同的角度对复合材料强度、损伤问题进行阐述。材料的统一强度理论由于复合材料相对于单一材料而言有其特殊性,但和单一材料也有着共性的问题,所以在研究复合材料的强度问题之前,先对单一材料和结构的强度 问题进 行总结。自从的年 著名的强度理论建立以来,已经有了上百年的历史,强度理论问题是研究材料在复杂应力条件下 的屈服和破坏的规律,它是一个总称,包括屈服准则、破坏准则、疲劳准则,以及蠕变条件等问题强度理论是材料强度和结构强度的基础,它在物理、力学和材料学领域有着重要的作用,因此强度 问题也成了物理、力学和材料学领域永恒的主题,对于强度理论
6、已经形成了上百个模型,但由于强度问题的复杂性,在很长的时间内,没有一个系统的结论,对于继续研究和应用于工程领域都很不方便,因此又建立了统一的强度理论。下面对上百个模型进行了总结和分类,并描述了统一强度理论的特点和意义。强度理论的分类各国学者提出的众多 的强度理论和各种表达式模型说明了强度理论问题是“百花齐放,百家争鸣”的,但可以从以下几个方面对强度理论进行分类川按材料参数数量分类 包括单参数,双参数和多参数破坏准则。对于拉压强度相同的材料采用单参数准则对于拉压强度不 同的材料采用双参数准则对于拉压强度不同,并且单轴压缩强度和双轴等向压缩强度也不相同以及更复杂的材料性质时可以采用三参数以及更多参
7、数的准则。按强度理论的功能分类 单一材料强度理论和统一强度理论。前者仅适用于某一种材料的破坏状态,统一强度理论有着相对的通用性。按方程的线性与非线性分类即材料的破坏准则是线性方程还是非线性方程除了最大正应力理论、最大拉应变理论、单剪强度理论、双剪强度理论以外的强度理论多数为非线性的。按剪应力分类单剪强度理论、双剪强度理论、三剪强度理论 其中的单剪、双剪、三剪强度理论的破坏极限面如图所示。按极 限面的大小和内外边界分类即通过对比各个准则的外凸破坏极限面的内外进行分类通过对比极限面的内外情况可以分析材料工作状态的危险程度,强度准则 的恰当选择可以创造可观的经济效益,天量地节省材料。按数学建模和数学
8、方程式的数量分类一个数学模型和一个表达式、两个数学模型和两个表达式。双剪强度理论和统一强度理论采用了两个数学模型和两个表达式,其余的强度理论多数为一个数学模型和一个表达式。广义双剪强度理论 俞茂宏,广义三剪强度理论一广义单剪强度 莫尔,侧。喇尹七声尸尸一塑州从可、嗽建、一杯,夕图单剪、双剪、三剪强度理论的极限面而、,石邢田日习侣舰丽在很长一段时间内所涉及的强度理论都是对某一种材料比较适合,但由于材料的种类繁多,对准则的掌握也就有了一定的难度,所以人们希望能出现一种可以广泛应用的统一强度理论,统一强度理论的建立是个漫长的过程,前苏联科学家曾在年代提出了一种联合强度理论,但该理论的实质只是最大应力
9、准则和最大应变准则 的选择,不是一个统一的理论,但给后来的研究者一个启 迪,外、翻、记等作者提出的统一破坏函数可以包含从此准则 到一准则的一系列屈服面,俞茂宏阎在年发表了双剪统一强度理论,它 的具体定义是 当作用在双剪单元体的两个较大的剪应力及其面上的正应力影响函数到达某一极限值时,材料发生破坏,它的数学表达式当角声时,为广义拉伸状态月。,厉,当声蕊角时,为广义压缩状态二二召。厉乃式 中为反应 中间主剪应力作用 的权系数,月为反应正应力对材料破坏的影响系数,为材料的 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All
10、 rights reserved.http:/第期王宝来、吴世平、梁军 复合材料失效及其强度理论强度参数。双剪统一强度理论具有以下 的特点么能反应材料的一些基本特性。如不 同的抗拉、抗压强度特性,不同的静水压力效应,正应力效应以及中间主应力效应。、具有明确的物理意义和简单的数学表达式。、适合各种应力状态下,不 同类型的材料,以最少的参数反应材料的响应,将各种著名的破坏准则包括在内,在各种破坏准则 中建立关系。、可以方便的应用于解析解和数值解。在统一强度理论之前各种屈服准则和破坏准则都是单一的,无论是数学模型还是力学模型的表达式都是分散的,相互之间没有定量的联系,统一强度理论是个完整 的新体系困
11、,它给出了一 系列破坏准则,如。准则、而准则、一准则、双剪屈服准则,并形成了外凸型和非凸型准则的完整系列,它已经广泛地应用于金属、土体、混凝土以及岩土工程领域,它可以应用于分析断裂力学和不连续分叉问题,方便的解决塑性问题另外它是线性 的,形式也比较简单。复合材料强度问题复合材料由基体和增强相两个部分组成,二者是一个统一的整体,复合材料的一切 问题都是由这两个部分产生的,从仿生学的角度而言,增强相相当于骨骼,基体相当于肉,而复合材料的表面涂层相当于皮肤,因此对复合材料的设计可以对基体和增强相两个部分进行协同设计,以使材料的强度、刚度等各项性能达到最优。基体对强度的影 响,基体是材料的基本组成部分
12、,因此对材料的性能有着主导的作用。材料的脆性、韧性主要取决于基体,它的体积和质量百分含量都比较大,但并不是基体强度越高,复合材料的强度越高,而是存在一个最佳匹配关系“。增强相对强度的影响,增强相的加人可以通过对基体的显微组织结构、孔隙度、晶粒尺寸及材料密度的改变,改善和弥补基体性能上的不足增强相 的性质对复合材料的强度起着至关重要的作用 增 强相的主要贡献是通过基 体的微 观组织变 化 实现的,另外它是载荷的主要承受者“,其次它对位错的产生,亚晶结构细化也起着重要 的影响增强相的形状在一定程度上也影响着复合材料的强度,一般认为颗粒形状为球形或者近球状最佳川,而晶须增强相长径比有个最佳值仁。研究
13、”表明自由取向的增强相增强效果没有定 向排列的好,但是定向排列 的增强相增强 的复合材料也只是在单一方向上强度高,其它方向上强度很低。基体和增强相 的匹配性,复合材料具有可设计性,可以根据使用要求具体的进行分析、设计,这正是复合材料有着广泛使用前景的重要因素利用不同的基体,对增强相再进行相应的设计可以制备出各种特殊功能的复合材料 按照材料使用功能梯度的要求进行设计,基体与增强相之间的界面相容性是一个必须重视的问题,二者的相容性对于复合材料的协同设计是至关重要的,使二者能 同时达到极限状态是设计者的目的所在。界面对强度 的影响,界面是复合材料 中普遍存在且非常重要的组成部分,是影响复合材料行为的
14、关键因素之一,复合材料界面 的脱胶、撕裂、滑移等现象是破坏形式中最常见的,复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和增强相之间的界面结合状况界面往往就是材料的最弱环节,而温度、时间引起的界面反应是复合材料中大多数承载体不能发挥最佳性能的主要原因之一 为了获得更高的强度,应该形成稳定的界面结合界面不是没有厚度而是具有微小厚度的面,它 的作用是不容忽视的,界面太弱会造成复合材料强度性能下降,界面过强会造成宏观裂纹容易扩展、断裂韧性降低,从而降低材料的强度,这些都是和破坏机理相关的。工艺对强度的影响,不同的加工工艺将使材料有着截然不同的性质,不 同的制备方法使得复合材料的性能有很大的差异,应使材料
15、的初始缺陷降低到最低,很多实验证明,由初始缺陷而导致的应力集中是材料破坏的重要因素之一。复合材料的宏观强度理论复合材料和均匀各向同性、均匀各向异性材料之间既存在着共性,又存在着特殊性问题,在研究复合材料的强度理论时,需要正确处理共性和个性的问题,既应注意共性、规律性,以此作为出发点、参考点,又要注意特性,和具体的问题相结合。复合材料的微观结构、细观结构和宏观结构 的构造是非常复杂 的,在复合材料 中的纤维和单独存在的纤维,其性能是不完全相同的,有时是明显不同的,因此在复合材料中的纤维、基体、界面的强度实际上是种就位强度。单独存在的组分材料的性能只能在复合材料性能分析中起到参考的作用。建立强度准
16、则的目的是以数学的方法预报复合 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/失效分析与预防第卷材料在给定载荷下失效是否发生,它 的准确性只能通过预报结果和实验结果的吻合度来确定,复合材料的强度主要与材料性能和受载后 的应力状态、应变状态和应变能的大小有关,还和环境因素、加载速度、加载时间、应变率以及材料的内部构造、缺陷和损伤 的状况、尺寸因素、试验装置、试验条件有关。定义失效准则时,最理想的状况是所定义的参数尽量的少,就像各向同性材料一样,就容易预报的多了。总之失效
17、准则是个极其复杂的问题,需要不断地总结和发现,渐渐用数学物理方法来揭示复合材料真实的性质,建立符合客观实际的失效判据。对于材料的强度问题通常可 以采用唯象论和破坏机理两个方面相结合的办法来解决。这里说的唯象论是指仅从试验结果所得的现象出发而确定的强度理论唯象论强度准则 的确定,依赖于大量的、精确的、分散度较小和在各象限分布合理的实验数据。破坏机理主要是从理论的角度进行分析,由于复合材料比单一材料更复杂,存在着基体和增强相 的界面以及二者的匹配性问题,如果想准确地建立与实际工况相适应的数学物理模型,则需要从宏观、细观、微观三个尺度,用宏观力学、细观力学、微观力学三个层次相嵌套的方法进行研究。一个
18、有价值的强度理论应该是破坏机理和唯象论的有机结合体,应将理论分析和实验数据吻合到误差允许的范 围内,半理论半经验强度准则就是将理论和经验有机地结合在一起的产物,因此存在着更广泛的前景,强度理论只能具有相对的正确性,不可能绝对正确,只要是能满足具体的使用要求就可以了。在复合材料的强度准则中以最大应变准则和最大应力准则、蔡一希尔准则、蔡一吴准则应用的较多。蔡一吴准则的一般形式彻。,和。是表征材料强度性能的参数,为对称张量。在蔡一吴强度准则的基础上,王震鸣 提出了改进的蔡一吴强度准则,改进的方法是在个象限采用条不 同的椭圆曲线,组成一个封闭的强度曲线 在个应力空 间区域采用片不 同的椭圆曲面,组成一
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- 复合材料 失效 及其 强度 理论
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