纖維增強復合材料界面脫層和基體裂紋的模擬分析

       基于Ghosh提出的Voronoi單元有限元方法，構造能同時反映纖維增強復合材料界面脫層和基體裂紋擴展的單元（X - VCFFM單元）；應用界面力學理淪和斷裂力學理論，建立界面脫層、界面裂紋擴展方向和基體裂紋擴展的判斷準則；結合網格重劃分技術，模擬分析了只含有一個夾雜時界面脫層和基體裂紋擴展的過程，并通過與傳統有限元計算結果的比較，驗證X- VCFEM單元的可靠性和有效性；同時，模擬分析含任意隨機分布夾雜的纖維增強復合材料界面脫層和基體裂紋的產生和擴展過程。結果表明：應用該方法模擬復雜多相復合材料裂紋問題具有計算速度快和精度高的優越性。

       近年來，隨著科學技術的發展，復合材料在一些重要的工業領域，如航空、汽車、軍事、核能和電子等領域得到了越來越廣泛的應用，正在逐步代替一些傳統的結構材料。纖維增強復合材料之所以獲得廣泛的應用，一方面得益于其許多優良性能：(l)纖維增強復合材料可提高材料的剛度或比剛度的潛力；(2)增強體的加入，可以使以屈服應力或極限應力為代表的強度指標大大提高；(3)增強體的存在，可以阻礙位錯滑移，從而改善抗蠕變性能。另一方面，纖維增強復合材料中，纖維的加入在提高材料力學性能的同時，也帶來了負面的影響：(l)夾雜的存在會降低材料的延展性、斷裂韌性，例如，短裂紋易于在平行于應力方向的平面上促發；(2)夾雜的存在也加速了疲勞裂紋的形成和擴展，相應地降低了疲勞壽命；(3)微結構的存在還加速了孔隙的產生，從而降低材料的抗蠕變損傷的能力。造成以上這些不利后果的誘因是復合材料的界面脫層和基體裂紋的擴展。這些不利因素都限制了纖維增強復合材料更廣泛的應用，它與夾雜形狀、體積、數量、夾角和分布等拓撲結構特征密切相關。進一步了解夾雜拓撲結構對復合材料界面脫層和基體裂紋擴展性能的影響規律，將對材料的制作工藝和工程應用具有重要的參考價值。

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