文 献 综 述

0.前言

碳纤维是一种含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维复合材料（CFRP）具有高的比强度和比模量、良好的抗疲劳性、减震性、高温性、成型工艺、破坏安全性等一系列优异性能^[1]-[3]，现在已广泛应用于航天，汽车，船舶，兵器，医疗等领域。复合材料在进行应用时有对复合材料连接的需求，连接则要求在复合材料构件上开孔，而开孔就会影响到构件的力学性能，因此需要对复合材料层合板开孔试件的力学性能进行研究^[4]。

1.研究意义和应用前景

随着人口膨胀和工业发展，地球环境不断恶化，资源越来越匮乏，能源节约型，环境友好型社会越来越成为发展的目标。纤维增强复合材料作为一种新型材料，具有很多优点，其中最突出的是其高比强度和比模量。比强度和比模量高说明在质量相当的情形下材料的承载能力大，刚度大，这对飞机和航行器特别重要。将这种材料用于飞机，可大大减轻机体质量，从而减小发动机的功率，节约能源，节省材料。相比其它纤维增强复合材料，碳纤维复合材料的制造工艺较为简单，价格也相对便宜，因此，已经成为了非常重要的一种纤维增强复合材料^[5]。

纤维增强复合材料除了具有高比强度和比模量的优点，还可以自由设计^[6]。对于复合材料层合板，不同的铺层序列会使材料具备不同的力学性能，从而满足复合材料不同的应用场合。此外，还可以引进不同的狭缝，来改良层合板的性能^[7]，使之达到工作要求，并在很大程度上减少材料使用量，实现节约资源，提高经济效益的目的。

2.开孔形状及尺寸

复合材料层合板开孔后，在孔的附近会产生很严重的应力集中现象，使层合板的强度降低。因此，开孔的形状和尺寸，在设计和制造时都需要特别注意。研究表明：随着复合材料开孔尺寸的增大，拉伸破坏载荷显著减小，且趋势较明显；随着开孔圆角半径的增大，破坏载荷有增大的趋势，应尽量使用圆形开孔^[8]。不同形式的开孔有不同的承载能力，林森等^[9]对圆形，菱形，长圆形三种不同开孔形式的复合材料梁腹板承载能力进行了分析得出：菱形开孔承载能力最高，长圆形开孔次之，圆形开孔承载能力较弱。文献[8]和文献[9]得到的结论截然相反，对于不同的结构，不同的开孔形状和尺寸将对复合材料板的力学性能产生不同的影响。因此，对复合材料开孔结构力学性能进行分析之前，确定开孔形状和尺寸是尤为关键的一步。

3.数值模拟

随着有限元软件的不断发展，对于复合材料开孔层合板的研究一般采用试验和数值模拟相结合的方法。鲍宏琛等^[10]通过建立一种新的有限元三维模型，对准各向同性纤维增强复合材料层合板[45/0/-45/90]s和[45/-45/90/0]s进行了开孔拉伸的破坏模拟。关志东等^[11]应用材料属性退化方法（MPDM）模拟了层合板开孔拉伸与开孔压缩渐进损伤, 同时应用胶层单元模拟层间分层。肖梦丽，张勇波等^[12] 基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究，利用ABAQUS有限元软件建立二维常规壳模型，并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响。Jia Xue，Wen-Xue Wang等^[13]通过ABAQUS对纤维长度对纤维金属板（由单向短切原丝/铝板制成）拉伸性能的影响做了研究。有限元方法同样也被用来模拟发生在UACS（单向排列的短切原丝）板狭缝内的层内断裂以及沿界面分层的发生和发展过程^[14]。一般地，通过数值模拟得到的结果都能与试验数据很好地吻合，表明合适的模拟分析方法可以较为准确地反映出复合材料的开孔拉伸（压缩）的损伤及力学性能。