多向复合材料层压板的失效分析

多向复合材料层压板的失效分析

玻璃纤维层压板

纤维增强复合材料层压板的失效是由损伤的积累而导致的。与材料、层合板叠合顺序以及环境相关，失效是一个复杂和相互作用的分离的损伤模式的集合。主要的损伤模式有横向、纵向裂纹的形成，还有倾向于在试样自由边缘起始的分层。但是，最终的复合材料层压板失效在本质上与纤维断裂有关。因此，多向层合板的最终失效可以归结为单层的失效和/或层与层之间的分离或分层。

一、单层拉伸失效

层压板中包括不同纤维方向的铺层。在单一荷载拉伸下，损伤积累的一般顺序是90度层的横向（层内）裂纹的形成。在横向开裂的开始阶段，可以观察到非线性变形，这在应力-应变曲线中已知为“弯折”。弯折的形成是由于开裂层在裂纹附近经历了应力松弛，而在那个区域受限制的铺层承担增加的应力。使用韧性树脂系时，横向裂纹的发展将会延迟。不仅基体的延性，而且基体与纤维的结合质量也会影响横向裂纹的形成。横向裂纹的形成具有以下特点：当承受的载荷增大时，横向裂纹在与之垂直方向上的密度逐渐增加，并最终达到饱和裂纹密度状态。

二、层的压缩失效

复合材料层压板在压缩载荷下的失效模式有一些不同于拉伸载荷下的失效模式。压缩下的主要损伤模式首先是0度层纤维的屈曲，然后是分层和子层的依次屈曲。试验研究结果表明，剪切挠曲是一种可能的失效模式。剪切挠曲是层合板中主要承力纤维的弯折失效。它可由一带屈曲的断裂纤维来表征。这些纤维同时经历了剪切和压缩变形。

一般认为，在纯单向压缩失效观察到的“弯折带”失效机制仍然可用。纯单向试验中包括较少的约束，而在一个多向层合板中由于其他层的支撑，压缩失效程度将有所限制。

三、层的剪切失效

这种失效模式可以在±45度层合板的纯纵向拉伸中很好地观察到。作用于每层的载荷几乎为纯剪切，等于施加应力的一半。检查表明，平行于和相交于纤维的剪切失效均存在。失效试样表现出一定程度的分层。

四、分层

分层会引起层压板强度和刚度的变化，通常这种变化呈下降趋势，当分层达到一定程度时，将导致实际使用性能的丧失。作为分析，需要了解在什么载荷水平下会发生分层。

层间的裂纹扩展（分层）是复合材料损伤中最常见的。层间富含树脂，因而其开裂的断裂能比穿过纤维的层外开裂的断裂能要低几个数量级。