摘 要

本文主要研究了夹心复合材料T型连接结构成型过程的在线监测技术，并对T型接头在弯曲载荷下的破坏进行了实验研究与仿真分析。通过对复合材料I型和II型层间断裂韧性的测试，基于损伤-断裂力学方法，仿真模型中使用内聚力单元对复合材料的分层损伤进行预测。同时，使用Hashin准则预测复合材料的失效。通过模拟发现，本文模型中的接头在拐角处会产生基体拉伸与压缩破坏，却无纤维损伤。在拐角区域埋置FBG传感器，用于成型过程的在线监测和服务于成型后结构件的破坏性测试以及长期性能监测。弯曲加载试验结果表明，T型接头的拐角处产生较大变形，但未观察到明显破坏，与模拟结果一致。

关键词：T型接头，内聚力模型，FBG传感器，Hashin准则。

Abstract

In this paper, the on-line monitoring technology of sandwich composite T-type connection process is studied, and the failure of T-joint under bending load is studied and simulated.Based on the damage - fracture mechanics method, the fracture damage of the composites was predicted by using the cohesive force unit in the simulation model by testing the fracture toughness of the composite type I and II.At the same time, the use of Hashin criteria to predict the failure of composite materials.It is found by simulation that the joints in the model will produce matrix tensile and compressive damage at the corners, but no fiber damage.FBG sensors are embedded in the corner area for on-line monitoring of the forming process and destructive testing of the structural components after construction and long term performance monitoring.The results of the bending loading test showed that there was a large deformation at the corners of the T-joints, but no significant damage was observed, which was consistent with the simulation results.

Key words：T-type connector, Cohesion model, FBG sensor, Hashin guidelines.

目录

第一章绪论 1

1研究背景及目的意义 1

2国内外发展状况 1

3课题研究内容及意义 4

第二章实验 5

1 双悬臂梁（DCB）试验确定I 型分层的能量释放率G_IC 5

1.1试样制备 5

1.2开始测试 6

1.3数据处理 7

2 尾部缺口三点弯曲（ENF）试验确定II 型分层的能量释放率G_IIC 8

2.1试样制备 8

2.2开始测试 9

2.3 数据处理 10

3. T型接头的制备与测试 11

3.1 普通T型接头的制备与测试 11

3.2 埋有FBG传感器的T型接头的制备与测试 14

第三章 损伤预测 17

1.DCB试验有限元模型 17

2.ENF试验有限元模型 19

3. T型接头损伤有限元模型 20

第四章 分析与讨论 22

1.DCB与FNF试验 22

2. T型接头 23

第五章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第一章绪论

1研究背景及目的意义

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的单一材料，通过不同的复合手段组合而成的一类有用的多相材料。复合材料具有很多特点：可设计性，材料与结构具有同一性，材料性能对复合工艺具有依赖性，结构设计包含材料设计，具有各向异性和非均质性的力学性能，并且复合材料的比强度和比刚度高，抗疲劳性能好，减振性能好，具有良好的热稳定性，材料性能分散性大，某些复合材料高温性能好，成型工艺好，节约能源。其中纤维增强复合材料具有高强度，高模量，可设计性强等优点，具有良好的耐腐蚀性，弹性性能良好，目前已被广泛应用于船舶，航空，航天等工业领域中^[1-2]。

20世纪70-80年代以来，复合材料连接结构的设计分析方法逐步建立起来，最初主要是依据实验数据。而在这30年里，随着更加先进的实验测试技术的发展以及更加精确的数值分析方法的出现，美国AIM计划和欧盟的BOJCAS计划均发生了转变，从以前的以试验为主变为现在的以分析为主。并且现在强调的是复合材料结构的整体化，复合材料是多相结构，整体化的结构形式有非常大的利用空间，它可以减少结构件的连接结构，大幅减少装配工作，使结构件更趋于一个整体。这样做也可以增加结构件的力学性能，提高承载能力，具有更好的抗疲劳性，不易损坏变形，耐用可靠。

复合材料非平面连接问题非常重要，它对复合材料的整体化结构有非常重大的意义。国内外学者们研究了非平面胶接连接，非平面接头有很多种类，如：π型接头，T型接头，L型接头等，其中对T型接头的研究已趋于成熟^[3-7]。国内外研究学者们发表了一系列文献，T型接头在国民生活和工程实践中的应用越来越广阔。复合材料夹层结构具有比较高的抗弯刚度，能够在比较小的质量下达到刚性构件的要求^[8]。而限制夹层结构大范围应用的重要原因主要是夹层结构与其它结构的连接强度不够，因此关于夹层结构的连接是现在国内外研究的热点。T型接头是夹层结构与其它结构连接应用的最广泛的连接形式之一，现在，对T型接头力学性能的研究主要是使用数据模拟预测结构失效情况并用于结构形式的更好设计^[9]。

2国内外发展状况

国内关于夹心复合材料连接结构的研究主要集中于力学方面，研究它的破坏模式和极限承载力，保证连接的可靠性。

陈亮等对T型接头的制备工艺和力学性能进行了研究。提出了一种T型接头的结构形式，该接头主要满足于船舶复合材料连接结构的连接要求，它的制备工艺是真空辅助成型工艺。关于力学性能的试验研究是根据不同的载荷环境设计的，有三点弯曲和垂向剪切，通过试验得到了极限弯矩和极限抗剪弯矩，还得到了接头的弯曲破坏模式和剪切破坏模式。