碳纖維/環氧樹脂復合材料纏繞接頭拉伸失效機制

 

 

通過試驗及數值模擬對碳纖維/環氧樹脂復合材料纏繞接頭軸向拉伸失效機制進行研究。基于有限元軟件 ABAQUS，通過連續介質損傷模型及內聚區模型，分別對纏繞接頭各部件及界面進行模擬，編寫用戶自定義材料子程序（UMAT），建立材料的漸進損傷模型，終得到纏繞接頭的應力分布和載荷-位移曲線，并與試驗結果對比確定結構的失效機制。結果表明：有限元分析所得纏繞接頭損傷部位及失效模式與試驗吻合，失效載荷與試驗值相差較小，證明了仿真分析方法的有效性。通過對比失效模式發現，拉伸載荷作用下，鏈環是主承力部件，其弧形端部是應力集中處，纖維斷裂即從此處開始發生并向外擴展，導致鏈環斷裂及整體結構破壞。

 

 

復合材料纏繞接頭拉伸失效模式及損傷機制

 

 

有限元模型的建立、拉伸實驗的進行

 

 

拉伸試驗、運用abaqus基于連續介質力學來建立模型，之前，CATIA建立實體，hypermesh劃分網格，編寫UMAT子程序evaluation

 

從試驗所得應變-載荷曲線可以看出，對應位置處應變數據一致性較好，說明試驗夾具設計的合理性，保證了纏繞接頭試件的對心，從而也提高了試驗結果的可靠性。由試驗所得載荷-位移曲線可知，破壞載荷平均值為 41.07 k N，仿真計算所得結果 40.14 kN 與前者僅相差 2.26%，說明了所建立的漸進損傷有限元模型的有效性。

 

 

（1）次對碳纖維/環氧樹脂復合材料纏繞接頭試件在軸向拉伸載荷作用下的失效機制進行試驗研究，自行設計了專用夾具滿足試驗要求。

 

（2）采用有限元基于abaqus編寫umat子程序編制了復合材料失效判據及失效擴展方法，結合內聚區模型，建立了相應的漸進損傷有限元模型，得到載荷位移曲線、應力分布情況及損傷過程。

 

（3）計算所得破壞載荷與試驗值平均值相差較小，仿真計算的應變與試驗相差較小，仿真的損傷部位與實際吻合。分析發現，纏繞接頭拉伸下先后發生膠層損傷和鏈環損傷，隨著內襯環-中間件界面膠層的損傷擴展，鏈環逐漸成為主要承力部件，鏈環弧形端部成為應力集中區域，此處由內而外的纖維拉伸斷裂損傷造成了接頭結構終破壞。本文方法可有效預測拉伸損傷失效模式。

 

 

[1]郭麗君，陸方舟，李想等. 碳纖維/環氧樹脂復合材料纏繞接頭拉伸失效機制[J].復合材料學報.2020.