内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

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基于界面元法含分层损伤复合材料层合板的区间分析

复合材料学报第27卷　第2期 4月　2010年A ct a M ateri ae C om p o sit ae Sini c aVol 127No 12April2010文章编号:100023851(2010)022*******收稿日期:2009205215;收修改稿日期:2009210222基金项目:航空科学基金项目(2007ZA51003);高等学校学科创新引智计划项目(B07009);国家自然科学基金项目(10872017);国家自然科学基金联合资助基金项目(10876100)通讯作者:邱志平,教授,博士生导师,洪堡学者,主要从事结构强度、可靠性、不确定性问题、结构优化和气动弹性力学等研究　E 2mail :zpqiu @基于界面元法含分层损伤复合材料层合板的区间分析孙　民,邱志平3(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191)摘　要:　基于界面元法研究了含有不确定参数复合材料层合板分层的问题,以区间数学为基础,将不确定参数区间定量化,提出一种含有不确定参数复合材料层合板分层的区间分析方法,并从数学证明和数值算例两方面与概率方法进行对比,验证区间分析方法的可靠性。

通过区间分析方法给出了不确定参数对DCB (Double cantileverbeam )分层临界载荷的影响,并且得到在一定初始裂纹长度或铺层数量下,具有不确定参数DCB 承载临界载荷的上下界值,这为不确定结构设计提供一定的依据。

关键词:　界面元;分层;不确定参数;区间分析方法;概率方法中图分类号:　TB330.1;O242.29 文献标志码:AAnalysis of delamination based interface element with interval method in composite laminatesSUN Min ,Q IU Zhiping 3(School of Aeronautic Science and Engineering ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100191,China )Abstract :　Delamination in laminated composites with uncertain parameters was studied.Based on the interval mathematics ,with uncertain parameters being modelled as interval numbers ,an interval analysis method was proposed about delamination in laminated composites with uncertain parameters.The interval analysis was compared with the probability method with respect to the mathematical proof and numerical examples ,which verifies the reliability.For a fixed pre 2crack length or layer number ,the upper and lower critical loads of DCB with uncertain parameters were obtained.It would provide reference for engineering design.K eyw ords :　interface elements ;laminate ;uncertain parameters ;interval analysis method ;probability method 复合材料具有高刚度、高强度及低比重等优点,在航空航天领域的应用越来越广泛。

复合材料损伤机理整理_final

一、立项依据与研究内容：1.立项依据：1.1 研究意义与目的近几十年以来，随着科学技术的迅速发展，对材料的性能提出了更高的要求。

当前高技术材料一般分为:高技术陶瓷、高技术聚合物和复合材料三种类型。

由于复合材料可以根据工程结构对性能的要求来进行设计，其发展速度和规模在近几年尤为迅猛。

一些先进的复合材料己经在航空、航天、机电、化工、能源、交通运输以及生物、医疗器械等领域中得到了广泛的应用。

可以说复合材料已经深入到了我们生活的方方面面。

在航空领域，由于飞机结构设计和材料性能要求的不断提高，复合材料在飞机上的比例不断增加。

目前，波音B 787代表了当前飞机技术发展的最高水平，其基本特点之一为采用复合材料主结构，其中复合材料的用量为50%（如图1所示）。

[陈绍杰, 复合材料技术与大型飞机. 航空学报, 2008. 29(3): p. 605-610]先进战斗机上复合材料用量基本上在飞机机体结构重量的30%左右，图2为国外新一代军用飞机上复合材料的用量。

在航天方面，复合材料也被广泛用于火箭发动机壳体、航天飞机的构件、卫星构件等。

固体火箭发动机喷管的工作温度高达3000~3500℃，为了提高效率还要在推进剂中掺入固体粒子，发动机喷管的工作环境是高温、复合材料能承受这种工作环境:化学腐蚀、固体粒子高速冲刷，因此固体火箭目前只要碳/碳人造卫星每减轻Ikg，运载火箭可以减轻1000kg，因此用复合材料制造的卫星有很大的优势。

此外，复合材料还被广泛用于化学工业、电气工业、建筑工业、机械工业、体育用品等多个方面。

我国从上世纪七十年代就开始了先进复合材料方面的研究工作，到八十年代时，我国已将复合材料应用技术列入重点发展领域，通过三十多年的发展，我国航空复合材料技术应用水平己有了大幅度的提高。

目前我国军用飞机上复合材料用量已达到6%以上，已基本实现从次承力构件(如垂直安定面、水平尾翼、方向舵、前机身等)到主承力构件(如机翼、直升机旋翼等)的转变[王慧杰等.我国航空复合材料技术发展展望.第九界全国复合材料学术会议论文集，1996:l-6]。

复合材料的界面缺陷与性能分析

复合材料的界面缺陷与性能分析在现代材料科学领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

然而，复合材料的性能并非仅仅取决于其组成成分，界面特性在很大程度上也决定了其整体性能的优劣。

复合材料的界面就如同是连接各个部分的桥梁，一旦这座“桥梁”存在缺陷，就会对整个复合材料的性能产生显著的影响。

首先，我们需要明确什么是复合材料的界面。

简单来说，复合材料的界面是指两种或两种以上不同材料之间的过渡区域。

这个区域虽然很薄，但却具有独特的化学和物理性质。

在这个界面区域内，材料之间的相互作用、化学键合、物理结合等因素共同决定了界面的性能。

那么，复合材料的界面缺陷都有哪些类型呢？常见的界面缺陷包括界面脱粘、孔洞、裂纹、残余应力等。

界面脱粘是指两种材料在界面处失去了有效的结合，这就好像是原本紧紧相连的手松开了。

孔洞则是在界面处形成的空穴，它们会削弱材料的连续性和承载能力。

裂纹的出现往往是由于应力集中或者材料本身的缺陷导致的，一旦裂纹在界面处扩展，就会严重影响复合材料的强度和韧性。

残余应力则是在复合材料制备过程中产生的内应力，当这种应力超过一定限度时，也会导致界面的破坏。

这些界面缺陷是如何产生的呢？一方面，复合材料在制备过程中的工艺参数不当可能会导致界面缺陷。

例如，在复合材料的成型过程中，如果温度、压力、时间等参数控制不好，就可能会出现界面结合不良的情况。

另一方面，原材料的表面处理不当也会引发界面缺陷。

如果原材料表面存在杂质、油污或者氧化层等，就会影响界面的结合强度。

此外，复合材料在使用过程中受到外界环境的影响，如温度变化、湿度变化、化学腐蚀等，也可能会导致界面缺陷的产生和扩展。

界面缺陷对复合材料的性能有着多方面的影响。

从力学性能来看，界面缺陷会显著降低复合材料的强度、刚度和韧性。

例如，界面脱粘会导致载荷无法有效地从一种材料传递到另一种材料，从而使复合材料在承受外力时容易发生过早失效。

孔洞和裂纹的存在会成为应力集中的源头，加速材料的破坏。

复合材料的界面相互作用研究

复合材料的界面相互作用研究复合材料是由两种或多种不同材料的组合而成的，具有优异的力学性能和独特的特性。

在复合材料中，各种组成材料之间的界面相互作用起着至关重要的作用。

本文将探讨复合材料界面相互作用的研究。

一、复合材料界面的基本概念复合材料的界面由两种或多种不同材料接触在一起的区域组成。

这些材料相互之间的间距和接触方式决定了界面的性质和行为。

在复合材料中，界面不仅是各种材料之间的物理接触，还涉及到原子、分子以及它们之间的相互作用。

二、界面相互作用的研究方法为了研究复合材料中的界面相互作用，科学家们采用了多种研究方法。

以下是其中几种常见的方法：1. 扫描电子显微镜（SEM）：通过SEM可以观察到复合材料的表面形貌和微观结构，进而对材料的界面进行分析和研究。

2. 傅立叶红外光谱（FTIR）：通过FTIR可以检测材料的化学成分和官能团，进而了解界面上的化学反应和相互作用。

3. 热分析技术：如差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA），可以研究界面相互作用对材料热性能的影响。

4. 力学测试：如拉伸、弯曲和剪切等力学测试方法，可以评估界面相互作用对材料力学性能的影响。

三、界面相互作用的影响因素复合材料中界面相互作用的性质和行为受多种因素的影响。

以下是几个重要的影响因素：1. 材料选择：界面相互作用的性质受到组成材料的选择和特性的影响。

不同类型的材料在界面上的相互作用方式各不相同。

2. 温度和湿度：界面相互作用对温度和湿度的敏感性较强。

温湿度的变化会导致界面的物理和化学行为发生改变，进而影响材料的性能。

3. 表面处理：采用不同的表面处理方法可以改变界面的性质。

例如，化学处理、表面涂覆和增加粗糙度等方法可以改善界面的结合强度和相互作用性能。

四、界面相互作用的作用机制复合材料中的界面相互作用涉及到多种机制，其中最常见的包括物理吸附、化学键合和电荷转移等。

这些作用机制直接影响着界面的结构、力学性能和化学性质。

1. 物理吸附：界面上的物理吸附是材料间的非化学吸附，通过分子间的范德华力和静电作用产生。

复合材料的界面缺陷与性能

复合材料的界面缺陷与性能在当今科技高速发展的时代，复合材料凭借其优异的性能在众多领域得到了广泛的应用，从航空航天到汽车制造，从电子设备到体育用品，无处不在。

然而，要充分发挥复合材料的优势，我们就必须深入理解其界面缺陷与性能之间的关系。

复合材料通常由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组成，它们通过特定的工艺结合在一起，形成一种具有新性能的材料。

在这个过程中，不同材料之间的界面就显得至关重要。

界面是指两种材料相互接触和相互作用的区域，它的性质和结构直接影响着复合材料的整体性能。

界面缺陷是指在复合材料的界面区域存在的各种不完善和不连续的情况。

这些缺陷可以大致分为两类：一类是化学缺陷，另一类是物理缺陷。

化学缺陷主要包括界面处的化学反应不完全、化学相容性差以及存在杂质等问题。

当不同材料在界面处发生化学反应时，如果反应条件控制不当，可能会导致反应不完全，从而在界面处留下未反应的物质。

这些未反应的物质可能会削弱界面的结合强度，影响复合材料的性能。

此外，如果两种材料的化学性质相差较大，化学相容性差，也会在界面处产生应力集中，降低复合材料的强度和稳定性。

杂质的存在同样会对界面性能产生不利影响，它们可能会阻碍材料之间的化学键合，降低界面的结合强度。

物理缺陷则包括界面的粗糙度、孔隙、裂纹等。

界面的粗糙度会影响材料之间的接触面积和接触紧密程度。

如果界面过于粗糙，材料之间的接触面积减小，结合力就会减弱。

孔隙和裂纹的存在更是严重的缺陷，它们会成为应力集中的源头，在受力时容易导致材料的破坏。

这些界面缺陷会对复合材料的性能产生多方面的影响。

首先是力学性能，复合材料的强度、刚度和韧性等力学性能很大程度上取决于界面的结合强度。

界面缺陷的存在会削弱界面的结合强度，导致复合材料在受力时容易发生界面脱粘，从而降低其强度和刚度。

同时，界面缺陷也会降低复合材料的韧性，使其更容易发生脆性断裂。

其次是热性能，复合材料在使用过程中往往会经历温度的变化。

复合材料的界面状态解析了解界面的分类掌握复

（3）表面处理的最优化技术。（4）粉体材料在基体中的分散：
①、分散状态的评价； ②、分散技术及机理； ③、分散状态与复合材料性能。（5）复合技术的优化及其机理。
图3.3 材料粘接的破坏形式
作业： 6、复合材料的界面层，除了在性能和结构上不同于相邻两组分相外，还具有哪些特点； 7、简述复合材料界面的研究对象； 8、简述与表面张力有关的因素。 9、吸附按作用力的性质可分为哪几类？各有什么特点？ 10、利用接触角的知识，讨论固体被液体的浸润性。 11、界面的相容性指什么？如何确定？
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，表面分子与吸附物之间的作用力是分子间引力（范德华力）。
特点：
1）、无选择性，吸附量相差较大；
2）、吸附可呈单分子层或多分子层；
3）、物理吸附、解吸速度较快，易平衡。
一般在低温下进行的吸附是物理吸附。
3.3.2.2 化学吸附
当固体表面的原子的原子价被相邻的原子所饱和，
根据物质的聚集态，可以得到五种类型的界面，即气-液（g-l）、气-固（g-s）、液-液（l-l）、液-固（l-s）、固-固（s-s）界面。
通常的研究中，习惯于把气-液（g-l）、气-固（g-s）界面分别称为液相表面、固相表面。
注意：对于复合材料来说，界面并非是一个理想的几何面。
实验证明：复合材料中相与相之间的两相交接区是一个具有相当厚
增强体 F
表面处理技术
增强体
F 表面 F/I 界面
表面处理物质层
I 表面 I 结构
增强体
F/I 界面
表面处理物质层
复合技术
基体
I/M 界面
基体 M
增强体基体
F/M 界面

基于内聚力模型的界面破坏分析

ＵＵＷｅｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｆａｉｌｕｒｅｉＳａｃｏｍｍｏｎｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｍａｔｅｉｒａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．ＴｈｅａｃｃｕｒａｔｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｆｎａｌｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｉＳｃｒｉｔｉｃａｌｆｏｒｔｈｅｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｕｃｒｔｕｒｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅｍｏｄｅ１．ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅ
基于内聚力模型的界面破坏分析
刘伟
（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京１０２２４９）

基于内聚力模型的碳纤维与钢复合结构断裂性能分析

-机械研究与应用-2019年第6期(第32卷，总第164期)研究与试验doi：10.16576/ki.1007-4414.2019.06.011基于内聚力模型的碳纤维与钢复合结构断裂性能分析”王少勃，王斌华(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064)摘要:针对复合结构的粘接界面断裂性能分析,在有限元软件ABAQUS中基于CZM(Cohesive Zone Model)中的co-hesive单元来模拟粘接层并建立有限元模型，模拟分析了钢板和碳纤维树脂粘接界面的损伤情况，得到了碳纤维与钢I型断裂的载荷位移曲线，并通过双悬臂梁实验测试验证了模拟结果的准确性，为实际工程结构加固提供指导。

关键词：复合结构；粘接界面；CZM；有限元法中图分类号:TB331文献标志码:A文章编号:1007-4414(2019)06-0033-02Analysis of Bonding Properties of Carbon Fiber and Steel Composite Structure Based on CZMWANG Shao-bo,WANG Bin-hua(Key Laboratory far Highway Construction Technology and Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an Shaanxi710064,China)Abstract:For the analysis on the fracture properties of the bonded interface of the composite structure,the cohesive element in CZM(Cohesive Zone Model)was used to simulate the bonding layer and establish the finite element model in the finite element software ABAQUS.The damage of the bonding interface between the steel plate and the carbon fiber was simulated and analyzed.In the case,the load-d isplacement curves of carbon fiber and steel type1fracture were obtained,and the accuracy of the simulation results was verified by double cantilever beam experimental test.It would provide guidance for the reinforce・ment of actual engineering structures.Key words:composite structure；bonding interface；CZM；finite element method0引言近年来，随着复合材料的开发，复合材料的力学性能不断提高、生产成本随之降低、材料性能成熟稳定，已广泛应用于钢结构的修复和加固中。

复合材料界面分析技术

复合材料界面分析技术简介复合材料是由两种或多种不同组分组成的新材料，其界面是影响复合材料性能的关键因素之一。

复合材料界面分析技术是一种研究复合材料界面特性和相互作用的方法，该技术可以帮助科学家和工程师深入了解复合材料界面的结构、性质和失效机理，从而改进复合材料设计和应用。

表面分析技术1.扫描电子显微镜（SEM）–SEM是一种常见的界面分析技术，通过扫描样品表面的电子束，可以获取高分辨率的表面形貌信息，以及界面的形貌特征、粗糙度和孔隙度等参数。

–SEM还可以结合能谱分析技术（EDS）进行元素分析，从而了解不同相的分布情况以及界面处元素的交互作用。

2.X射线光电子能谱（XPS）–XPS是一种表面分析技术，可以获得化学计量比和能态信息，用于表征复合材料界面的化学成分和界面能态特性。

–XPS可以通过改变束流能量和角度，分析不同深度处的界面化学成分。

3.傅里叶变换红外光谱（FTIR）–FTIR可以用于分析复合材料界面的化学成分和功能团，从而研究界面的相互作用机制和性能调控方式。

–FTIR还可以通过差示扫描量热仪（DSC）等技术，研究界面反应的热性质和动力学。

界面力学性能测试技术1.力学性能测试–拉伸试验、弯曲试验等是常见的检测界面力学性能（如粘结强度、界面剪切强度等）的方法，可以评估复合材料界面的耐久性和力学强度。

2.微纳力学测试技术–原子力显微镜（AFM）可以测量复合材料界面的力-位移曲线，用于评估界面的强度和粘附力。

–AFM还可以进行纳米压痕测试，研究复合材料界面的硬度、弹性模量等力学性能。

3.界面失效分析–界面失效是复合材料在使用过程中的常见问题，界面失效分析技术可以帮助确定界面破坏机理和失效形式，从而指导提升界面的耐久性和可靠性。

–最常用的界面失效分析技术包括断口分析、断裂力学分析和失效模式分析等。

数值模拟方法复合材料界面分析技术不仅包括实验方法，还有数值模拟方法。

通过建立界面模型和适当的界面模型参数，可以对复合材料界面的结构和性能进行预测和优化。

复合材料的界面问题研究

论文题目：复合材料的界面问题研究学院：材料科学与工程学院专业：材料学任课老师：霍冀川姓名：夏松钦学号：2011000148复合材料的界面问题研究摘要：界面问题，在复合材料制备中起很大的作用，界面结合的好坏，直接影响复合材料的整体性能，现针对国内外增强树脂用玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维的表面处理方法，强调界面问题的重要性关键词：界面问题；玻璃纤维；碳纤维；芳纶纤维1 前言界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有重要的影响。

随着对复合材料界面结构及优化设计研究的不断深入。

研究材料的界面力学行为与破坏机理是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一。

复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递。

对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，而对作为复合材料3大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，其理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。

界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为越来越受到重视。

热塑性复合材料不仅有优越的力学性能、耐腐蚀、无毒性和低价格指数，还由于具有热固性复合材料所不具备的可重复加工和使用的特点，避免产生三废，有利于环保，因而倍受人们的重视，发展很迅速。

对于增强热塑性复合材料来说，由于基体本身缺乏可反应的活性官能团，很难与纤维产生良好化学键结合，因而界面结合的问题就显得更为重要。

2玻璃纤维的表面处理方法玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。

为了充分发挥玻璃纤维的承载作用，减少玻璃纤维和树脂基体差异对复合材料界面的影响，提高与树脂基体的粘合能力，因此有必要对玻璃纤维的表面进行处理[1]，使之能够很好地与树脂粘合，形成性能优异的界面层，从而提高复合材料的综合性能。

界面内聚力模型及有限元法

修正后的界面损伤指数内聚力模型，通过加入损伤因子，能表征界面由于累积的损伤，界面承载能力的下降。
通过对指数模型的张力位移关系以及断裂能控制方程加入损伤因子进行修正，得到了完整的界面损伤指数内聚力模型。
界面内聚力模型
不同形式的内聚力模型共同特征：裂纹尖端内聚力区域内应力在外载荷的作用下，最初
q 1
n
n
t
2
n
n
q
1
q
exp
t2
t2
对于修正后的界面损伤指数内聚力模型，界面在受载荷作用开裂时，随着损伤因子的减小，其应力位移曲线中，应力最大值减小，且更早出现应力的最大值，而界面最终破坏时的界面开裂位移值亦减小。
界面内聚力模型
图7给出了 =0.4，0.8，1三种损伤因子条件下，界面损伤内聚力模型的法向应力与法向断裂能变化。
界面内聚力模型
指数内聚力模型在开裂过程中的断裂能控制方程为:
n
n
exp
n
n
1
r
n
n
1 q r 1
q
rq r 1
n
n
exp
t2
t2
n 、t 分别为界面上的法向与切向位移值，n 为纯法向开裂状态下界面完全开裂时的界面断裂能， n、 t 为法向与切向界面开裂特征位移，即应力最大值点对应的
a) 法向应力
b) 法向断裂能
图7 界面损伤内聚力模型的法向应力与法向断裂能变化
界面内聚力模型
由以图7(a)可以观察到，随着损伤因子减小，模型的应力峰值减小，其对应的位移值减小，在开裂扩展阶段，开裂破坏的最终位移值减小。此外图7(b)所示法向断裂能变化，损伤因子减小使得开裂过程的临界最大断裂能值减小。

复合材料中的界面现象研究

复合材料中的界面现象研究复合材料是一种由两种或以上不同材料组成的新型材料，具有轻质、高强度、耐热、耐腐蚀等特点，因而在航空航天、汽车、能源等领域有广泛的应用。

然而，作为一个由多种材料组成的复合体，界面现象对于复合材料的性能至关重要，因而研究复合材料中的界面现象具有非常重要的工程意义。

首先，复合材料中的界面现象可以影响材料的力学性能。

复合材料中常相邻的两个不同的材料之间会产生较大的界面应力，这种应力会影响到材料的初始形变、疲劳寿命等。

如果界面区域中存在裂缝、空隙等缺陷，不仅会影响应力分布，还可能导致材料的剥离等现象，因而研究复合材料中的界面现象对于提高材料的力学性能非常必要。

其次，界面现象也可以引起复合材料的界面失效。

在复合材料制备过程中，如果材料间的结合不够牢固，界面区域也容易发生失效。

比如，由于温度等因素，材料间的结合会减弱，导致界面处出现裂缝、空隙等缺陷，从而导致光学、热学等方面性能的降低，严重的还会导致复合材料的完全失效。

因而研究复合材料中的界面现象对于提高复合材料的使用寿命也是至关重要的。

此外，界面现象也会对复合材料的导电、导热、光学等性能产生影响。

由于复合材料的制备过程中，各种材料的结合是从微观上实现的，因而材料中的微观结构决定了其宏观性能。

而界面现象在这些微观结构中也起着决定性的作用。

比如，界面处的热电阻值与材料相比会发生变化，导致材料的导电性能降低；复合材料中复杂的界面结构也会影响光传输，导致材料的光学性能降低。

因而，通过深入研究复合材料中的界面现象，有助于提高材料的导电、导热、光学等多种性能。

另外，研究复合材料中的界面现象也可以为材料的制备提供科学依据。

复合材料中的不同材料之间在结合处会产生一系列微观现象，如浸润、浸透、反应等。

对于制备复合材料而言，熟悉这些微观现象对于制备复合材料的方法以及材料性能的控制都是至关重要的。

因而，研究复合材料中的界面现象可以为复合材料的制备提供科学依据，从而有效提高材料的性能。

复合材料分层损伤的数值模拟

第章绪论图１－２内聚力模型示意图随着非线性问题的提出，人们丌始将该模型引入有限元模拟中。

Ｈｉｌｌｅｒｂｏｒｇ（１９７６）首次将内聚力模型应用到了有限元计算中，对脆性材料的断裂过程进行了模拟研究…１；８０年代Ｐｅｔｅｒｓｓｏｎ（１９８１）对水泥及相似的材料的断裂过程区及裂纹扩展过程进行了研究‘１１ｌ；Ｃａｒｐｉｎｔｅｒｉ（１９８６）对缺口试样得裂纹扩展过程进行了模拟研究［３７１。

在众多描述内聚力与相对位移之问函数关系的内聚力法则中，Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ（１９８７）采用高次多项式的函数，并利用此模型在统一的计算模型下首次采用数值方法模拟了脱粘萌生、扩展直至完全剥离的全过程，揭示了界面层的最大允许相对位移与脱胶的韧性和脆性之间的关系㈣；ＣｈａｂｏｃｈｅＲ对Ｎｅｅｄｔｅｍａｎ等人提出的内聚力界面模型进行了总结和改进［３８］；Ｃａｍａｃｈｏ＆Ｏｒｔｉｚ（１９９６）采用线性函数描述界面法向作用力与相对位移的关系，并用数值模拟了脆性材料的碰撞损伤的过程【１４ｌ；Ｋｏｌｈｅ等（１９９９）则采用了分段线性函数来描述上述关系，并通过数值方法模拟延性材料的剪切断裂试验，得ＮＴ镍铝合金界面层的内聚力参数ｆ强】。

图１．３给出了几种常用的内聚力模型的示意图。

第二章内聚力界面单元的理论分析ａ纯Ｉ型破坏模式的界面元模型ｂ纯ＩＩ型、纯ＩＩＩ型破坏模式的界面元模型图２－４单一型破坏模式的界面元失效过程图２．４中给出了纯Ｉ型、纯ＩＩ型分层破坏时，界面元失效的演化过程，在图中，对应的４、５点之间的界面元已经破坏，２．４点之间的单元是进入内聚力区域的的界面元，内聚力区域内的单元在已经有了相对位移之后仍可继续承载（如图２－４中点３对应的单元）随着载荷的增加，直到层间的能量释放率达到对应能量释放率的临界值，界面元失效（如图２－４中点４对应的单元），界面元上的应力１９第二章内聚力界面单元的理论分析减小为零。

在起始处的界面元的刚度很大（如图２—４中点０—２之间对应的单元）。

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

本文用 cohesive 单元模拟复合材料层间界面，建立了预测复合材料分层损伤的有限元模型，包括 Ⅰ型分层、Ⅱ型分层和冲击引起的分层。分析了 cohesive 单元厚度对分层损伤面积的影响规律。基于有限元二次开发定义 cohesive 单元的本构，用于模拟压应力引起的界面失效，研究了考虑压应力引起的界面失效对复合材料冲击响应结果的影响。
合型载荷下的损伤产生：
( ) ( ) ( ) 〈σn〉 2 +
基于损伤力学理论的内聚力单元［8，9］（ Cohesive Element）通过本构方程将裂纹发生处界面的牵引力与界面相对位移联系起来，可以同时预测分层的起始和扩展，得到了众多学者的青睐。肖梦丽等［10］采用内聚力单元模拟复合材料层间界面，研究了层合板拉伸过程中的分层扩展，并分析了初始分层损伤对层合板剩余强度的影响。喻溅鉴等［11］基于三维内聚力损伤模型研究了疲劳分层裂纹的形成与扩展，通过引入加速损伤算法提高了模型的计算效率。陈丽华等［12］使用同样的方法模拟双悬臂梁结构的分层过程，研究了准静态方法和静态方法对计算效率的影响，并讨论了模型的精度和收敛性。 Harper 等［13］基于内聚力模型进行分层模拟，分析了界面强度对计算结果的影响。Chen 等［14］的研究表明，当界面强度较高时，内聚力模型很难得到收敛的解。
Cohesive 单元的优势是可以预测分层损伤的演化过程，但单元的尺寸对计算结果影响很大。有限元模型中单元厚度取不同的值，会得到不同的结果；另外，cohesive 单元无法预测压缩载荷超过材料强度引起的破坏［15］。这意味着，当界面受到厚度方向的拉应力作用时，预测结果是合理的；当处理冲击载荷引起的高压应力导致的结构界面失效问题时，cohesive 单元是无能为力的。

内聚力模型在复合材料界面层中应用

内聚力模型在复合材料界面层中应用加工制造复合材料时，界面最难控制且大多是最为薄弱的部分，在承受载荷时，界面层处也往往最先出现破坏，从而大大降低了复合材料的强度。

因此在进行复合材料细观模型分析时，界面层不能够被忽略。

界面的强度对整个单胞模型强度的影响非常大，本文通过纤维顶出法计算出复合材料界面层内聚力模型的本构参数，然后分别对代表体积元RVE模型在纵向拉伸载荷和横向拉伸载荷下做有限元计算，分析界面损伤和基体塑性变形的数值关系，结果表明，复合材料的纵向拉伸强度随界面强度增加而增加，但到一定程度后影响就变小了，代替的是基体拉伸强度起主要作用。

不论界面强度值增加到多大，所得到的复合材料的横向拉伸强度都永远低于基体的拉伸强度980Mpa，这充分的说明了复合材料的强度极限是由最最薄弱的部分决定的。

本文的研究结论可以为复合材料的制备提供理论参照。

标签：内聚力模型;界面层;失效模式0 引言在对TiC/TC4复合材料应用内聚力模型进行细观力学模型计算之前，必须先确定界面层的cohesive本构关系。

内聚力本构模型的参数是由实验测得的，但大多数情况下，一些材料的基本力学性能参数是没有的，此时想要继续研究，就需要做一些理论推导与假设。

本文就是由纤维顶出法测得界面结合强度与界面反应厚度的关系式，然后经过一系列计算，就可以确定界面层内聚力模型本构的基本参数，进而展开后续的分析计算研究。

1 理论分析1.1 参数的计算采用纤维顶出法试验测得SiC/TC4复合材料的界面结合强度可以用下式表示：，其中是纤维与基体之间界面的剪切强度值，H是界面层的厚度。

经有限元计算分析，复合材料的界面结合强度与载荷大小的关系为，其中是加载时的最大载荷。

其中K是内聚力本构模型的刚度值，h是薄片试样的厚度，E是弹性模量，是应力，是应变，是位移。

这里假设界面的结合强度等于本构关系中的最大应力取H=1um，E=330Gpa，=6.2N，代入计算，可以求最大应力为102.5Mpa，试件的厚度为0.21mm，位移为0.065um，本构关系=0时对应的位移取0.2um，计算得到断裂韧性为10.25。

基于内聚力模型的斜接修补复合材料强度分析

基于内聚力模型的斜接修补复合材料强度分析杜晓伟(空军工程大学航空机务士官学校，信阳 464000)摘要：在战争环境下，机身复合材料损坏会降低战机战斗力，如何通过修补恢复战机的作战能力是一个急需解决的问题。

为探究修补复合材料的强度恢复规律,本文基于内聚力模型和有限单元法，建立斜接修补复合材料强度预测模型，并对缺陷尺寸、修复斜度等因素对强度的影响进行分析。

结果表明：在0°与90°铺层的交点处出现应力集中现象，可达平均应力的6. 3倍之多，该应力集中效应可能是斜接修复复合材料损伤的始发诱因。

随着缺陷尺寸的增加，修复强度呈降低趋势。

修补复合材料初期损伤主要萌生于胶层内部，当损伤尺寸大于3 mm 后，损伤路径沿着界面发展。

随着修补斜度的增加，强度呈增加趋势。

从修补效率来看，斜度大于1：15即满足修补要求。

研究成果可为提升飞机复合材料修复工艺及修复效率评估提供理论依据。

关键词：复合材料；斜接修补；内聚力模型；缺陷尺寸；修补斜度中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：2096-8000( 2021) 01-0072-061前言复合材料具有比强度、比模量高，可设计性强, 疲劳性能好,耐腐蚀等许多优异性能,近年来已经越来越多地应用于民用和军用领域［1，2］。

随着我国飞机研发技术的不断提高,飞机的更新升级越来越频繁，复合材料所占比例也逐步提高⑶。

由于外在环境的影响及内在材料本身的性能等原因，飞机复合材料结构件在使用中时常出现各种各样的损伤，如图1所示。

对于一些重要部位，大面积更换部件不经济划算，因此，对原有复合材料构件进行修补便成为一种经济可行的方案。

此外,在战争环境下，武器装备的损坏会降低其战斗力，需要对损坏的仪器设备进行快速修补,从而恢复飞机的作战能力。

因此,如何进行飞机复合材料损伤修复便成为一个急需解决的问题。

(a)弹片切割损伤(b)破孔损伤图1机身材料损伤 Fig. 1 Fuselage material damage复合材料修补主要分为机械修补和胶接修补。

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

关键词复合材料力学,界面单元,内聚力模型,损伤
COHESIVE INTERFACE ELEMENT AND INTERFACIAL DAMAGE ANALYSIS OF COMPOSITES1)
Zhou Chuwei Yang Wei Fang Daining
(Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing100084, China)
Key words mechanics of composite materials, interface element, cohesive zone model, damage
引言
复合材料中增强相与基体之间界面层的性质,对于复合材料整体刚度、强度、韧性等性能起着至关重要的作用.要研究复合材料的损伤破坏过程,需分析纤维或颗粒直径尺度上的应力应变场,有限元数值分析是有效的工具.由于复合材料的界面层往往很薄,远小于纤维直径,而且沿厚度方向性质是变化的［1］.这就给传统的有限元分析带来诸如单元剖分,材料参数的确定等困难.J.D. Achenbach［2］,陈陆平等［3］将界面层处理为类似于一组法向和切向正交的弹簧,叶碧泉等［4］用各向同性的无厚单元模拟界面层.这些工作解决了单元划分的厚度问题,但未能反映出界面损伤时法向和切向的耦合效应.本文利用内聚力模型推导了一种无厚的界面层单元,将界面层的性质直接反映在界面层的粘结力与界面层上下两个面的相对位移的关系上.
为
界面所经历的最大相对位移.λ是一个不可逆的量,取值范围从0～1,λ=1时,对应界面完全脱粘,λ可视为界面的损伤变量.界面法向负的相对位移不引起界面损伤. 图1给出了只有n时的相对于n和n归一化的内聚力曲线.随界面层被拉开的相对距

复合材料的界面情况

以热固性树脂的固化过程为例，固化剂所在位臵是固化
反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构，密度大的部分称做胶束或胶粒，密度小的称做胶絮。在依靠树脂本身官能团反应的固化过程中也出现类似的现象。
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后处理过程：固-固界面自身完善与平衡的过程
增强体与基体在一组份为液态（或粘流态）时的接触与浸润过程。（界面形成与发展的关键阶段）在复合材料的制备过程中，要求组分间能牢固地结合，并有足够的强度。要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量最低结合，通常都存在一个液体对固体的相互浸润。
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所谓浸润，即是把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为“浸润”。有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不好”。
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5）机械联结理论
机械粘接理论认为：粘接剂与被粘体的粘接存粹基于机械作用，首先液态粘接剂渗入被粘体的空隙内，然后在一定条件下粘接剂凝固或固化而被机械地“镶嵌”在孔隙中，于是便产生了犹如螺栓、钉子、钩子那样的机械结合力。由此可见，机械结合力主要取决于材料的几何因素。事实上，机械理论是与其他粘接理论的协同作用的理论，没有一个粘接系统是只由机械作用而形成的。
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复合材料界面结构与性能特点：
i) 非单分子层，其组成、结构形态、形貌十分复杂、形式
多样界面区至少包括：基体表面层、增强体表面层、基
体/增强体界面层三个部分。
ii ) 具有一定厚度的界面相（层），其组成、结构、性能随厚度方向变化而变化。 iii) 界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根

内聚力损伤准则

内聚力和损伤准则
内聚力和损伤准则是两个相关但不同的概念。

内聚力是指材料内部不同区域之间的相互作用力，通常用于描述材料的强度和稳定性。

内聚力的大小通常与材料的化学成分、晶体结构、微观缺陷等因素有关。

在工程实践中，内聚力常常被用来计算材料的断裂强度和抗拉强度等参数。

损伤准则是指材料在受力过程中，由于各种原因导致材料内部出现损伤或破坏的程度，通常用于描述材料的破坏行为和失效模式。

损伤准则的大小通常与材料的物理性质、力学性质、化学成分等因素有关。

在工程实践中，损伤准则常常被用来计算材料的破坏强度和耐久性等参数。

内聚力和损伤准则之间存在一定的联系。

在材料受力过程中，如果材料内部出现了损伤或破坏，那么内聚力就会降低，从而影响材料的强度和稳定性。

因此，在工程实践中，通常需要综合考虑材料的内聚力和损伤准则，以评估材料的强度和稳定性。

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

基于界面元法含分层损伤复合材料层合板的区间分析

复合材料损伤机理整理_final

复合材料的界面缺陷与性能分析

复合材料的界面相互作用研究

复合材料的界面缺陷与性能

复合材料的界面状态解析了解界面的分类掌握复

基于内聚力模型的界面破坏分析

基于内聚力模型的碳纤维与钢复合结构断裂性能分析

复合材料界面分析技术

复合材料的界面问题研究

界面内聚力模型及有限元法

复合材料中的界面现象研究

复合材料分层损伤的数值模拟

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力模型在复合材料界面层中应用

基于内聚力模型的斜接修补复合材料强度分析

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

复合材料的界面情况

内聚力 损伤准则

内聚力损伤准则