纖維拔出
關注創建者：復合材料有限元分析 創建時間：2023-03-30
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<p>復合材料纖維拔出文件及計算子程序VUMAT</p>
(2) 0°方向（即沿加載方向）的玻璃纖維能夠有效提升玻璃纖維增強 PC 材料的抗拉強度，45°和90°的玻璃纖維對材料拉伸強度和破壞應變增強效果不明顯，PC 基體在拉伸過程中起主要承載作用。
(3) 玻璃纖維增強 PC 復合材料在準靜態和中應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂以及纖維與基體脫粘 4 種失效模式；在高應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。
(4) 在高應變率加載下，因絕熱溫升現象導致 PC 基體軟化，黏附力和塑性變形增強，在纖維拔出、斷裂以及脫粘過程中，纖維/基體界面強度增加。此外，PC 基體的塑性變形是造成高應變率下玻璃纖維增強 PC 復合材料的抗拉強度和破壞應變大幅提升的主要原因。
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展開 與金屬材料相比，碳纖維增強復合材料因具有較高的強度重量比和剛度重量比等特性常被用作初級結構。對于組裝結構件和飛機上輕量化混合結構的碳纖維復合材料的連接，使用的方法為機械緊固，如鉚釘等。而涉及到機械緊固，鉆孔是必不可少的。
由于碳纖維復合材料固有的各向異性和結構的不均勻性，在鉆孔過程中會產生分層、毛刺、纖維拔出、基體熱降解等多種損傷，從而降低了碳纖維復合材料在疲勞載荷作用下的結構強度和使用壽命。
在以往文獻中，研究者們通過實驗、理論分析和數值模擬技術來研究碳纖維復合材料鉆孔中的損傷機制，但是，
實驗對碳纖維復合材料變形和損傷擴展的研究比較有限
。采用常規數值分析方法時，鉆孔碳纖維復合材料（CERPs）的損傷缺陷在多損傷機制耦合作用下表現為混合破壞模式。有限元軟件中元素的破壞模式主要包括損傷產生、損傷累積、損傷演化、d單元刪除等復雜過程。在過去，針對不同類型的CERPs，發展了多種預測損傷以識別復雜的損傷機制，如Tsai-Wu、Hashin、Puck和
Chang-Chang
準則。這些漸進損傷理論已被用于預測復雜CERPs在鉆孔過程中的損傷行為，比如Isbilir、 Phadnis和Feito。
對于CERPs的鉆孔損傷分析，雖然可以將復合材料視為均質理想化模型來確定損傷模式，但
幾乎都采用了宏觀力學理論
，其中一些實際損傷缺陷無法模擬，如毛刺等。
展開 單個鋪層一般的應力狀態有以下某種或者是幾種的組合：
(1) 沿纖維方向的拉伸應力，對應纖維拉斷或者纖維拔出失效模式
(2) 沿纖維方向的壓縮應力，對應纖維的局部失穩、纖維扭結等失效
(3) 沿垂直于纖維方向的拉伸，對應基體拉斷
(4) 沿垂直于纖維方向的壓縮應力，對應基體剪切失效
(5) 剪切應力，對應宏觀剪切失效
在進行失效評估分析時，上述幾種單一應力狀態，都有相對應的材料強度數值，這些與材料的彈性常數都是有限元分析的輸入條件，下圖所示即為層壓板面內的強度數值Xt、Xc、Yt、Yc、S12。
1 最大應力準則
最大應力準則是最早的失效理論之一，該理論認為，材料主方向上的應力必須小于各自方向上對應的強度，否則即發生破壞，這里的主方向指沿纖維方向和垂直纖維方向。其特點是表達簡單，可直觀判斷失效模式，缺點是無法考慮多種失效模式的耦合效應。
2 最大應變準則
最大應變準則與最大應力準則類似，以應變替代應力，用材料應變強度作為強度指標，當應變強度不確定時，可以用下面的公式估算。
最大應力準則和最大應變準則中，失效包絡面平行于坐標軸，在三維應力狀態下，其失效包絡面為空間平行六面體，在二維應力狀態下，其失效包絡線為矩形，如下圖所示。
在上述最大應力應變準則的基礎上，假設各方向應力之間的相互作用呈線性關系，這樣包絡線變成了上圖所示的三角形，這一類線性近似模型目前在巖石損傷中應用很廣泛。
展開 圖19則顯示出玻纖增強料材料的1A、1B、1BA、Type 3試樣屈服應力符合規律，直條型試樣高應變率的屈服應力反而下降，不符合事實規律，同樣的100s-1的應力值也低于其它4種試樣的結果。出現以上現象同樣是直條型試樣鉗口斷裂導致的，因此直條型試樣不具備應用可能。
另一方面，通過應力-應變曲線，對1A、1B、1BA、Type 3試樣的力值震蕩幅度進行評估，結果如表3所示。
在高速拉伸試驗中，力值震蕩是難以避免的。由表3可見，兩種材料1BA試樣的力值震蕩幅度最小，具體規律表現為填充PP料：1BA＜1A＜1B＜Type 3，玻纖增強料：1BA＜1A＜Type 3＜1B。優先采用震蕩幅度小的試樣進行高速拉伸試驗。
（4）斷口形貌分析
填充PP料的形貌顯示出現不規整的凸起，截面粗糙，表現為韌性斷裂的特征。玻纖增強料形貌顯示出現大量的纖維和孔洞，有纖維與樹脂的拔出、纖維撕扯、斷裂等痕跡。
案例結論
通過對實驗結果的分析對比，綜合考慮斷裂現象、力值震蕩、實際/設定應變率差距等多方因素，可以得出使用1A和1BA型試樣獲得的測試結果優異。測試填充PP材料時優選1BA試樣，玻纖增強材料優選1A或1BA試樣。
*國高材分析測試中心原創內容，轉載請注明出處
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(3) 玻璃纖維增強 PC 復合材料在準靜態和中應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂以及纖維與基體脫粘 4 種失效模式；在高應變率加載下主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。
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<p>復合材料纖維拔出文件及計算子程序VUMAT</p>
這說明注塑長玻纖增強聚丙烯材料結構上存在明顯各向異性，在疲勞過程中，0°方向纖維發生斷裂后引起的裂紋擴展和斷裂，部分纖維從基體中拔出；45°和90°方向拉伸主要為基體開裂或基體與玻纖之間的界面開裂所引發的斷裂，裂紋沿著玻纖取向方向擴展和斷裂。且疲勞斷面具有明顯的特征形貌，疲勞裂紋源區與裂紋擴展區光亮平整，瞬斷區高低起伏，與拉伸斷口非常相似。
玻纖增強料形貌顯示出現大量的纖維和孔洞，有纖維與樹脂的拔出、纖維撕扯、斷裂等痕跡。
案例結論
通過對實驗結果的分析對比，綜合考慮斷裂現象、力值震蕩、實際/設定應變率差距等多方因素，可以得出使用1A和1BA型試樣獲得的測試結果優異。測試填充PP材料時優選1BA試樣，玻纖增強材料優選1A或1BA試樣。
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由于碳纖維復合材料固有的各向異性和結構的不均勻性，在鉆孔過程中會產生分層、毛刺、纖維拔出、基體熱降解等多種損傷，從而降低了碳纖維復合材料在疲勞載荷作用下的結構強度和使用壽命。
單個鋪層一般的應力狀態有以下某種或者是幾種的組合：
(1) 沿纖維方向的拉伸應力，對應纖維拉斷或者纖維拔出失效模式
(2) 沿纖維方向的壓縮應力，對應纖維的局部失穩、纖維扭結等失效
(3) 沿垂直于纖維方向的拉伸，對應基體拉斷
(4) 沿垂直于纖維方向的壓縮應力，對應基體剪切失效
(5) 剪切應力，對應宏觀剪切失效
在進行失效評估分析時，上述幾種單一應力狀態
