纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析

       基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法，构造能同时反映纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹扩展的单元（X - VCFFM单元）；应用界面力学理沦和断裂力学理论，建立界面脱层、界面裂纹扩展方向和基体裂纹扩展的判断准则；结合网格重划分技术，模拟分析了只含有一个夹杂时界面脱层和基体裂纹扩展的过程，并通过与传统有限元计算结果的比较，验证X- VCFEM单元的可靠性和有效性；同时，模拟分析含任意随机分布夹杂的纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的产生和扩展过程。结果表明：应用该方法模拟复杂多相复合材料裂纹问题具有计算速度快和精度高的优越性。

       近年来，随着科学技术的发展，复合材料在一些重要的工业领域，如航空、汽车、军事、核能和电子等领域得到了越来越广泛的应用，正在逐步代替一些传统的结构材料。纤维增强复合材料之所以获得广泛的应用，一方面得益于其许多优良性能：(l)纤维增强复合材料可提高材料的刚度或比刚度的潜力；(2)增强体的加入，可以使以屈服应力或极限应力为代表的强度指标大大提高；(3)增强体的存在，可以阻碍位错滑移，从而改善抗蠕变性能。另一方面，纤维增强复合材料中，纤维的加入在提高材料力学性能的同时，也带来了负面的影响：(l)夹杂的存在会降低材料的延展性、断裂韧性，例如，短裂纹易于在平行于应力方向的平面上促发；(2)夹杂的存在也加速了疲劳裂纹的形成和扩展，相应地降低了疲劳寿命；(3)微结构的存在还加速了孔隙的产生，从而降低材料的抗蠕变损伤的能力。造成以上这些不利后果的诱因是复合材料的界面脱层和基体裂纹的扩展。这些不利因素都限制了纤维增强复合材料更广泛的应用，它与夹杂形状、体积、数量、夹角和分布等拓扑结构特征密切相关。进一步了解夹杂拓扑结构对复合材料界面脱层和基体裂纹扩展性能的影响规律，将对材料的制作工艺和工程应用具有重要的参考价值。

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