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摘 要

在实际应用中，复合材料在大部分情况下都需要开孔以便与其它构件进行连接。本研究为了充分了解不同切口设计对规则排列短切纤维增强复合材料（UACS）层合板开孔强度的影响，通过有限元数值模拟探讨了交错切口和双斜角切口对UACS开孔层合板力学性能的影响，并与未开孔UACS层合板进行比较分析。模型中通过添加位移载荷、界面单元和最大应力准则来模拟层合板拉伸破坏情况。结果表明：与连续切口相比，双斜角和交错角切口对抑制损伤进展起到了积极作用。开孔的UACS层板的强度分别降低到未开孔UACS层板的48％，54％和67％。具有双角切口的开孔UACS层合板具有最好的拉伸性能。同时，数值结果揭示了具有不同切口类型的三种开孔UACS层合板的损伤进展。在基体开裂中拉伸破坏首先发生在90°层，然后在±45°层出现基体开裂，最后由于损伤或破坏和分层进程而导致层合板失效。

关键词：UACS 层合板 有限元分析 开孔强度 损伤破坏

The effect of different slit designs on the open-hole strength of unidirectional arrayed chopped strands laminates

ABSTRACT

In practical applications, the composite material requires the open-hole for connection with other components in most cases. In the study of this subject, in order to research the effect of different slit designs on the open-hole strength of unidirectional arrayed chopped strands (UACS) laminates, we use the finite element method (FEM) to establish laminates fabricated by open-hole unidirectional arrayed chopped strands (UACS) with discontinuous staggered angled slits and with discontinuous bi-angled slits, combined with unopened holes. Displacement loads, cohesive interface element and maximum stress criterion were used in the model to simulate the tensile failure of laminates, respectively. The results show that big-angle and staggered slits play a positive role in suppressing the damage progression compared to continuous slit distribution. The strength of the notched UACS laminate decrease to 48%, 54% and 67% of the unnotched ones, respectively. Notched UACS laminate with bi-angled slit distribution has the best tensile properties. Numerical results reveal the damage progression of the three notched UACS laminates with different slit patterns. The tensile failure initiates in the matrix cracks occur in the 90°plies, then the matric cracks appear in ±45° plies, finally the laminates fails due to the damage or both damage and the delamination progression.

Keywords: UACS; Laminate; Finite element analysis (FEA); Open-hole; Damage

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 应用前景及经济性分析 2

1.3 研究现状 3

1.4 研究内容 6

第二章 UACS结构介绍 7

2.1复合材料基本构造形式 7

2.2 UACS介绍 8

第三章 有限元模型建立 12

3.1 模型建立与材料参数 12

3.2 接触条件 15

3.3 评定原则 16

3.4 边界条件与工况 17

3.5 不同切口的模型比较 18

第四章 结果讨论与分析 21

4.1 UACS层合板损伤进展分析 21

4.2 应变-应力及位移变形分析 23

4.3数值分析和讨论 27

第五章 结论 34

参考文献 35

致谢 39

第一章 绪论

1.1 引言

复合材料的性能一般优于它构成部分材料的性能，复合材料改变构成部分材料的各种性能。而且原来单个材料有些性能是不存在的但新生成的复合材料却产生了新性能。人类在很早以前就使用复合材料：因为稻草能够使土的粘性增强，所以古时候的人们就将泥土和稻草（或麦秸）混合在一起制成土坯砖建造房屋。在我们日常生活中运用广泛的玻璃钢等许多材料都属于复合类^[1]。

从应用方面看，复合材料有结构和功能两种类型，现在主要研究其结构。结构复合材料由基体和增强材料两种组分组成，其中增强材料起主要作用，它提供刚度和强度，基本控制复合材料的性能，典型增强纤维材料如下表1-1所示^[2]。

表1-1 典型增强纤维材料基本性能

碳纤维（Carbon Fiber）是无机高分子纤维，其含碳量高于90%的。碳纤维及其复合材料在航天航空、体育娱乐和工业等领域被广泛的应用^[3]。通过与金属塑料等材料的复合加工，碳纤维可以制成不同用途和特性的材料。20世纪60年代,为了满足军用方面对材料力学性能的要求,专家们研究出碳、硼和有机纤维，从此人们对材料的认知到达一个新的阶段^[4]。由于简单的制造工艺和相对便宜的价格，碳纤维复合材料已经成为一种非常重要的纤维增强复合材料。

1.2 应用前景及经济性分析

1.2.1应用

复合材料不仅能克服单一材料的缺陷而且具有优越的性能，已经逐步取代木材和金属合金。近几年，国家大力推崇节能环保技术，复合材料更是得到了飞速的发展。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高等性能，在航空航天事业中用来制造飞机机翼和前机身、发动机壳体等，既满足了承载要求也减轻了整体质量。除此之外，在体育运动、汽车制造和建筑行业，复合材料的应用也极为广泛，如下图1-1、1-2所示。在复合材料中，短纤维复合材料的强度、刚度高于基体材料,适合于模压成形,制成外形复杂的构件，因此在实际生活中应用非常广泛。

图1-1 复合材料制成的各种体育用具

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