有效裂纹长度法在单向复合材料层间分层Mode II剪切加载建模中的应用
Application of the effective crack length method to model delamination of unidirectional composite laminates under Mode II shear loadings
摘要整理
复合材料层间分层损伤建模是理解复合材料复杂失效行为和预测受损结构残余强度的重要研究领域。内聚区模型（CZM）是模拟层间分层的广泛应用方法，其成功应用的关键在于准确表征层间断裂韧性。复合材料层间分层主要由Mode I和Mode II断裂主导，Mode I加载下的双悬臂梁（DCB）试验已有充分研究，ASTM标准测试程序和Mode I断裂韧性（GIc）数据处理方案已成熟建立。然而，Mode II层间分层表征仍面临挑战，主要源于现有测试方法的固有问题和缺乏准确识别初始裂纹尖端、监测裂纹扩展的鲁棒数据处理方案。本研究旨在获得Mode II断裂韧性（GIIC）的可靠解决方案，并建立层板复合材料Mode II层间分层的有效建模策略。首先，综述了现有测试装置和常规GIIC数据处理方案，重点分析了三种主要测试方法的优缺点，特别是标准端部缺口弯曲（ENF）试验（ASTM D7905/D7905M）和端部加载分裂（ELS）试验（ISO 15114:2014）。其次，在G40-800/5276-1碳纤维增强复合材料层板试件的ENF试验中，实验研究了基于有效裂纹长度的数据处理方案相比经典方案的优势。研究表明，在检验的五种数据处理方案中，ASTM D7905要求的柔度校准法（CCM）给出最保守的GIIC值，适用于设计用材料性能的建立；基于柔度的梁法（CBBM）给出最不保守的GIIC值，被认为最准确，适用于建模和仿真验证。采用CZM技术进行了ENF试验的有限元建模，并开展了全面的参数研究，以建立Mode II剪切加载下复合材料层板层间分层建模的高效鲁棒策略。