缝合纤维复合材料I型层间断裂韧性的预测外文翻译资料

 2022-01-28 10:51:34

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缝合纤维复合材料I型层间断裂韧性的预测

M.拉凡迪，W.S.Teo，M.S.Yong，and T.E.Tay

摘要：本文旨在提出一种模拟程序，通过虚拟双悬臂梁试验预测缝合亚麻纤维复合材料的层间断裂韧性。拟议程序由两个步骤组成。首先，使用具有非线性软化定律的粘性元素对未缝合的亚麻纤维层压板的层间失效进行建模，以模拟在分层期间发生的大规模纤维桥接。实验结果用于校准内聚律的参数。其次，将双节点梁元件以规定的针脚密度和分布叠加到母层压板的粘合界面上，以模拟验证样品中存在的桥接针脚。针脚材料的性能和性能是从浸渍的针脚纤维的拉伸试验中获得的。发现平面外亚麻纱线缝合在中等针脚密度下产生复合层压材料的抗分层性的两倍增加。有限元分析结果与实验结果一致，其中实现了预测和实验R曲线之间的良好平衡。

一、引言

在过去的十年中，由于具有高特异性的刚性，良好的声学和振动阻尼以及环保特性，使用来自植物的天然纤维（NF）作为聚合物复合材料中的增强材料已经变得越来越流行。尽管天然纤维具有吸引人的特性，但由于工艺的限制，这些纤维的使用或多或少地局限于非结构应用中的短纤维复合材料。然而，最近新的纤维提取方法已经商业化开发，以产生长的自然纤维，对纤维的技术性能造成的损害最小[6,7]。

大量研究证实，当考虑到每个成本和重量的机械性能时，NF（如大麻，亚麻和黄麻）是人造玻璃纤维最有前途的替代品[8-10]。在常用的NFs中，亚麻纤维在强度和刚度方面被认为是高性能NF之一密度，使其适用于许多结构应用[7,11-14]。在这方面，类似于人造纤维，NF必须以复合层压板中的连续单向（UD）或机织纺织品（具有最佳加捻纱线）的形式使用，以便利用纤维的最大承载能力[15,16]。然而，最关心的失效模式之一是层压复合材料中的层间失效（即分层），因为在厚度方向上没有增强。

到目前为止，对人造复合材料的研究已经提出了各种技术，如增加基体的韧性，交错，设计纤维与基体之间的界面粘合，以提高复合材料的层间强度[17-21]。 纤维预制件的全厚度缝合已被公认为一种方便且具有成本效益的技术，可用于改善层间性能[22,23]。因此，大量的数值研究致力于模拟缝合人造复合材料层压板的层间失效[23-32]。

Mai等人[25]提出了两种基于微观力学的模型来研究缝合对双悬臂梁（DCB）试样中层压板分层生长的影响。在第一个模型中，假设线圈在层压板表面没有相互连接，而在第二个模型中，考虑了互连线圈的影响。该模型很好地理解了缝线尺寸对抗分层性的影响。Sankar等人提出了一种使用具有线性弹性行为和脆性断裂的连续内聚弹簧的分析模型[33]模拟缝合复合材料中的裂纹扩展。作者得出结论，线性模型不足以预测由强力线（即Kevlar）缝合的层压板的层间断裂韧性，其中缝合线的非弹性行为在增加韧性方面起着重要作用。陈等人[34]研究了使用二维实体单元和三维壳单元模拟母叠层和条形单元模型缝合机制，以确定基于缝合复合材料的有效模式I和模式II断裂韧性方法。他们的研究表明，三维模型对于确定准确的应力场以及与母层压板的针脚相互作用是必要的。

Sun等人[27]使用了一个双节点非线性杆元件——微机械缝合模型，并通过虚拟裂缝闭合技术（VCCT）研究了针脚分布对提高抗分层性的影响。 在该模型中，缝合元件位于两个子层压板之间，其初始长度为零（在缝线承载任何载荷之前），并且假设缝合元件仅承载拉伸载荷。Wood等人已经对针脚分布的影响进行了全面的研究[31]。在他们的研究中，Sun和VCCT中使用的双节点梁单元已被用于模拟缝合复合材料的DCB测试。两项研究均表明，缝合分布对临界应变能释放率（GIC）有显着影响。

Iwahori等人[29]和Tan等人[30]开发了一个二维有限元模型，通过使用三节点杆元件来表示缝线，模拟缝合CFRP的分层传播，用于DCB测试。作者还开发了一种新颖的测试方法，以了解单个缝线在张力下加载时的机械渐进损伤行为（即界面剔骨，松弛吸收，针脚断裂和摩擦拉出）。该测试的结果用作针脚元件的材料模型。该模型很好地预测了实验载荷-位移曲线和临界模式I应变能释放率GIC。

通常，观察到长纤维增强复合材料的层间失效发生在面内纤维桥接的情况下，这导致裂缝能量响应中的R曲线发展[35-37]。与平面外缝合线的桥接牵引相比，使用高强度缝合线穿过缝合层合板的分层平面的平面内纤维的桥接牵引力可忽略不计。然而，当使用较低强度的材料（如天然纤维）进行预成型缝合时，必须考虑后者[38]。

因此，本研究旨在通过实验和数值研究由连续UD亚麻纤维，环氧聚合物和无捻捻线缝合纱线制成的缝合天然纤维复合材料层压板的I型分层传播。使用具有非线性软化定律的粘性单元构建DCB试样的三维有限元（FE）模型，以模拟纤维桥接效应和用于缝合线的双节点梁单元模拟桥接线迹的效果并预测缝合的NF复合材料中的层间断裂韧性。

二、方法

（一）实验步骤

1、双悬臂梁（DCB）测试

本研究的实验是在由110g·m-2单向型FlaxTapeTM（法国LINEO）和热固性树脂体系Epolam 5051（Axson，France）制成的复合材料试样上进行的，铺设为[0]16。在室温下通过真空辅助树脂灌注（VARI）技术用树脂浸渍树脂预制件。由于天然成分由于其亲水性而倾向于吸收水分，因此在树脂浸渍之前，将预成型坯在真空烘箱中在80℃下干燥3小时。环氧混合物也在室温下真空脱气30分钟。树脂灌注后，将复合材料在室温下固化24小时，脱模，然后在80℃的对流烘箱中后固化16小时。

使用Tex 250无捻纱锭（复合材料发展，UK）来缝合纤维预制件。使用修改的锁定针迹图案手动进行拼接，针迹行间距为4 mm，针迹长度为12 mm。为了引入预裂纹，预制件的前部未被缝合以容纳18um厚的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜插件作为裂纹起动器。缝合的DCB样品和针脚配置的示意图示于图1中。

从复合板上切下尺寸为20mmtimes;170mmtimes;4mm的缝合和未缝合的DCB试样。 在树脂灌注工艺之前，将三层UD玻璃纤维添加到亚麻纤维预制件的两个面上，以防止大的变形以及试样臂的失效。测量玻璃纤维背衬的最终厚度（固化后）为1plusmn;0.02mm。然后按ASTM D5528 [39]的规定将铝负载块粘合到试样臂上。在施加粘合剂之前，将所有粘合表面轻轻抛光，喷砂并用丙酮擦布擦拭。该玻璃复合材料层压板建模中使用的弹性常数值总结在表1中。

模式I DCB测试在配备有1kN测力传感器的Instron 4505万能试验机上以1mm·min -1的十字头速度进行，并且对每个样品测试至少五个试样。进行初始加载——卸载循环以使裂纹从预裂纹（PTFE插入物）传播3-5mm，从而产生自然尖锐的裂纹尖端。然后，执行第二次加载－卸载循环，其中将裂缝传播约60mm。 在试验期间通过移动显微镜目视监测裂纹扩展，并且每1mm裂纹长度增量记录裂纹长度。

ASTM D5528中概述的修改梁理论（MBT）的数据简化方法用于确定临界模式I断裂能释放率GIC，如下：G1=3Pdelta;/2b(a ||)

其中P是开启载荷，delta;是试验机的十字头位移，b是试样宽度，a是裂缝长度，是试样顺应性立方根图的截距delta;，P-1对抗裂缝长度a。根据ASTM标准，推荐MBT方法，因为它通常产生最保守的GIC值。

2、评价浸渍的缝编纱线的拉伸性能

作为复合材料的贯穿厚度的增强材料，缝编纱线在模式I打开测试期间将经历拉伸载荷。因此，有必要评估在用树脂浸渍之前和之后的针脚纤维的拉伸性能。需要此信息来理解桥接裂缝时针脚增强件的应力—应变贡献。通过VARI技术，用相同的环氧树脂Epolam 5015注入25cm长的干燥纱线，制备浸渍的试样。使用具有1kN测力传感器的Instron 5500微型测试仪，在10mm的标距长度和1mm· min-1的十字头速度下测试固化的浸渍纤维。对10个样品进行拉伸试验，以评估针脚纤维的拉伸性能的变化。样品安装片的示意图和针脚纤维的拉伸测试设置如图2所示

（二）建模策略

用于研究分层的DCB试样（图1）的三维有限元（FE）模型使用商业软件Abaqus/Implicit创建并分析缝合的UD亚麻复合材料。在有限元模型中，试样的每个臂由厚度方向上的两个八节点四边形平面连续壳单元（SC8R）组成，用于模拟具有亚麻和玻璃的UD复合材料。如图3所示。两个臂连接的中间层间层由八节点三维粘合元件建模，厚度非常小，为0.01毫米。通过共享节点将内聚元素连接到相邻的连续外壳元素。

通过在顶部负载块的中心节点上应用垂直位移并沿垂直方向约束底部负载块的中心节点来引入边界条件。这些边界条件根据DCB实验，其中样品的底部负载块固定到固定钳口，并且使用位移控制拉动顶部负载块。在缝合区域使用0.25mmtimes;0.5的元件尺寸，并且对于剩余的样品使用1mmtimes;0.5的粗网眼。匹配网格用于连续元素和内聚元素。元素尺寸是根据Harper [44]提出的关于粘性区长度的规则确定的，以确保元素足够小以捕获裂纹尖端尾迹处的应力梯度。

为了模拟缝合纤维束复合材料的层间失效行为，考虑了与分层传播相关的三种断裂机制：（1）层间界面（层间纤维之间富含树脂的层）的剥离，（2）桥接牵引力在裂缝（分层）尖端之后的平面内纤维，（3）缝合纱线跨越分层平面的桥接牵引力。机制（1）和（2）使用三线性内聚法建模，机制（3）通过引入梁单元来建模。

该模型的实施遵循两个步骤。首先，使用未缝合的UD亚麻复合材料的实验结果校准三线性内聚法。然后，按照图1所示的分布，将双节点梁单元叠加在粘性元件上以对缝合纤维进行建模。

（三）分层

在这项研究中，使用Abaqus粘性元素（COH3D8）模拟分层。在UMAT子程序中实施的三线性牵引—分离法被用作内聚定律。三线内聚力法用于模拟劈裂纤维复合材料层间断裂韧性的R曲线效应。根据作者之前的研究[38]，这种R曲线效应是由于在分层传播过程中发生的大规模平面内光纤桥接。在存在R曲线的情况下，在裂纹扩展期间测量的韧性增加直到达到稳态值。这种响应通常是因为在破裂过程中涉及一种以上的物理现象，一些在小的开口位移处起作用而另一些在较高的开口位移处起作用并且进一步延伸到裂缝尾流中。已经表明，使用具有非线性软化定律的牵引分离法对于捕获R曲线效应是必要的[35-37,40,41]。

在这项研究中，Da#39;vila等人[36,37]提出的方法被应用于实验R曲线以确定三线性内聚定律的参数，即n和m。这个三线性定律是从两个双线性内聚力定律的叠加得到的，如图4所示。

粘性牵引（sigma;n；sigma;s；sigma;t）与法线方向和剪切方向（delta;n;；delta;s；delta;t）的相应分离有关。

其中Dnn，Dss和Dtt是罚刚度，d是损伤变量（当界面没有损坏时d = 0，界面完全断裂后d = 1）[42]。换句话说，当裂缝在压缩中闭合时，损伤变量不会影响sigma;n。在公式（2），罚刚度Dnn，Dss和Dtt是用于约束裂纹面之间的分离（或相互渗透）并在分层开始之前在层之间具有完美结合的人工参数。因此，与薄层的刚度相比，它们必须足够大[43-45]。这里的公式（3）用于计算罚刚度的最小值[44]。

其中E3，G13和G23是薄层的弹性模量，tp是单层厚度。表2中给出了所使用的材料参数的值。使用二次失效准则对分层起始进行建模：

其中sigma;n，sigma;s和sigma;t是界面上的法向和剪切应力，sigma;cn，sigma;cs和sigma;ct是界面的正常和剪切强度[46]。只有满足公式（4），分层开始。然后，基于断裂能量准则和双线性软化定律，指定界面损伤演化：

其中sigma;eff和delta;分别是有效牵引力和位移，GC是断裂能量[47]。表2中给出了分层失效准则中使用的材料特性。

1、用梁单元模拟缝合纱线

根据实验观察，以下假设作为缝合模型的基础[48]：a.缝编纱线是圆柱形的，具有圆形横截面。b.缝编纱线仅承载拉伸载荷。c.缝合线的失效在张力下是脆性的失效（纤维失效）。d.假设缝合线的断裂发生在分层平面上。e.在嵌入的针脚处没有发生滑动。f.缝合纱线的拉伸性能由浸渍的缝编纱线的拉伸试验获得。

图5中显示了与假设（D）和（E）相关的亚麻纱线缝合UD和编织纤维复合材料的分层表面的SEM。使用厚度的针迹增强材料的裂缝桥接牵引力使用具有脆性断裂响应的双节点梁单元，在UMAT子程序中实现。 最大纵向应力破坏准则用于确定张力下的纤维失效。 表3中给出了用于缝合纤维建模的材料特性。在该研究中，根据拉伸和DCB测试结果以及弹性性质，经验性地确定了纤维层压板的材料特性及其层间断裂韧性。玻璃纤维层压板改编自文献[36]。

三、结果和讨论

（一）通过内聚法建立面内光纤桥接模型

在本节中，校准三线性内聚力定律（图4），它是从两个线性软化定律的

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