详情

原文传递车用碳纤维复合材料层合板失效分析

论文题名：	车用碳纤维复合材料层合板失效分析
关键词：	车用复合材料;碳纤维;层合板;失效分析;轻量化
摘要：	车用碳纤维复合材料层合板零部件研发过程中，需要进行精准的失效分析，因此建立符合汽车使用工况的零件级快速失效分析流程是很有必要的。作为碳纤维复合材料层合板制造的零部件如车门、A柱下内板等的力学性能测试及失效分析的前期基础工作，本文制备了三种不同铺层方式的碳纤维复合材料层合板（[0]n（单向试样），[02/452/902/-452]s（各向同性试样），[0/452/90/-452/02]s（有取向试样）），通过开展碳纤维复合材料层合板准静态力学性能（拉伸、压缩、层间剪切）和动态力学性能（低速冲击）的评价来研究铺层结构对层合板力学性能的影响，并结合有限元模拟进行失效分析，得到以下结论：　　（1）准静态力学性能——三种试样中，单向试样的拉伸模量、拉伸强度、压缩强度和层间剪切强度均最大，有取向试样次之，各向同性试样最小。　　拉伸整体破坏方面，三种试样均在夹头附近断裂，断裂前最外层出现纵向伸展的基体裂纹。各向同性和有取向试样的±45°和90°纤维层均出现沿纤维方向的裂纹，同时也有少量的90°纤维层存在斜向断裂，尤其是有取向试样比各向同性发生了更多的斜向断裂，通过SEM观察发现斜向断裂的纤维断面呈压缩断裂失效模式。　　压缩整体破坏方面，单向试样发生斜向压缩剪切断裂，不同的是，各向同性和有取向试样均出现明显分层破坏。三种试样其他0°纤维层均呈现斜向压缩剪切断裂，只有有取向试样的中间层有部分0°纤维未断裂，微观下三种试样0°纤维断面均呈现屈曲压缩断裂失效模式，单向试样出现纤维柱特征。各向同性和有取向试样的±45°纤维层除了发生沿纤维方向的基体裂纹外，还可观察到少量横向纤维屈曲断裂。　　层间剪切整体破坏方面，三种试样均出现分层破坏，存在铺层方向变化的层间更容易分层；各向同性和有取向试样的±45°和90°纤维层均有基体开裂和穿层破坏出现，然而0°纤维层无法被穿层破坏。　　（2）动态力学性能——由冲击曲线可知，单向试样能够承受的冲击能量最小，±45°以及90°纤维层的加入能够有效提高层合板的最大抗冲击载荷和吸能效率，由穿透时的冲击能量和最大抗冲击载荷可知有取向铺层方式的抗冲击性能优于各向同性铺层方式。　　冲击能量较低时，碳纤维层合板正面产生一个目视勉强可见的凹坑，试样内部均出现了分层损伤和基体开裂。随着冲击能量的不断增加，三种试样的正面凹坑面积、正背面裂纹长度等宏观破坏形貌不断加重。正面以纤维断裂失效为主，随着冲击能量进一步增大，试样内部纤维发生断裂，穿透时三种试样背面不仅出现明显突起，还伴有纤维断裂情况。　　（3）有限元失效分析——试样的拉伸和压缩模拟应力-应变曲线和强度值与试验结果有较高的一致性（单向试样压缩模拟除外）。通过采用Hashin失效准则对纤维和基体的拉伸与压缩失效进行模拟分析，较为准确地预测了试样的断裂位置。　　拉伸模拟分析中，三种试样0°纤维层发生纤维拉伸失效，各向同性和有取向试样的±45°纤维层均发生基体拉伸失效，90°纤维层除基体拉伸失效外，还存在斜向纤维压缩失效区域。整体拉伸模拟失效区域与试验破坏形貌一致。　　压缩模拟分析中，三种试样0°纤维层发生纤维压缩失效，单向试样与有取向试样呈现斜向基体拉伸失效。各向同性和有取向试样的±45°纤维层主要发生基体压缩失效，也有少量纤维压缩失效，90°纤维层主要受到基体压缩失效。压缩模拟失效方式与试验破坏形式较为一致。
作者：	王晗
专业：	材料与化工
导师：	阳玉球;高聪
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2023