ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Ванг из "Межслойные эффекты в композитных материалах " Настоящая глава посвящена описанию метода анализа межслой-ного растрескивания (расслоения) в волокнистых слоистых компо- зитах на полимерных связующих. Метод разработан на основе из-. мерения физических характеристик расслоения на феноменологическом уровне, интерпретащ1и данных визуальных методов контроля и моделирования механизмов начала и распространения расслоения в пределах понятий классической механики разрушения. Метод сочетается с процедурой конечно-элементного моделирования для описания процессов расслоения в конкретных слоистых композитах. [c.88] Установлено, что разрушение слоистого композита — сложный, зависящий от времени процесс, сопровождающийся целым рядом различных видов повреждения регулярной структуры материала [1]. Фактически процесс разрушения может начаться во время изготовления композита или при низком уровне приложенного напряжения. Большинство очагов нг чального повреждения представляет собой докритические микротрещины, которые развиваются по всему материалу матрицы, включая поверхности раздела между волокнами и матрицей. Микротрещины по существу являются дефектами материала, которые свойственны его основной композитной системе либо появляются в нем во время изготовления. Когда материал подвергается механическому нагружению, могут увеличиваться как число микротрещин, так и их размеры. R частности, некоторые микротрещины могут внезапно объединяться и образовывать большую трещину в матрице, когда локальное напряжение достигает некоторого критического значения. [c.89] ГО значения. Это уникальное свойство обусловливается внутренней волокнистой и слоистой структурой композита, которая может останавливать трещину до того, как ее pa3 liep станет неограниченно большим. Однако способность материала останавливать трещину допускает образование других трещин в матрице композита со временем или при возросших уровнях нагрузки. Следовательно, в ходе некоторого Щ1кла нагружения в матрице слоистого композита может развиться система трещин, распределение которых почти всегда определяется структурой армирования материала. Несомненно, что, по мере того как при возрастании нагрузки в матрице образуются трещины, происходит либо неустойчивый процесс объединения трещин, либо разрыв волокон в слоях, несущих основную нагрузку. Оба этих процесса могут вызвать окончательное разрушение композита. Следовательно, образование и накопление трещин в матрице слоистого композита снижают его прочность. Понимание основных механизмов растрескивания матрицы и создание подходящей аналитической модели, описывающей этот процесс, стали важными проблемами теории разрушения слоистых композитов. Однако на пути решения этих проблем стоят трудности как физического, так и математического характера. [c.90] Если рассматривать объект исследования в микроскопическом масштабе, то растрескивание матрицы — это результат хаотического образования и объединения микротрещин под действием нагрузки. Механизм процесса объединения точно не известен. Но даже если бы он и был известен, математическое описание реального процесса было бы крайне затруднительным. [c.90] При феноменологическом описании зарождение трещины в матрице — это просто исходное событие, включающее все микроскопические явления, приводящие к зарождению трещины. Но чтобы сохранить при феноменологическом описании растрескивания матрицы эффекты объединения микротрещин, надо использовать подходящий критерий материала для начала данного события. Если такой критерий имеется, то, используя критерии механики разрушения, можно описать процесс распространения трещины в матрице. [c.90] В контексте феноменологического описания этого процесса предполагаются только два основных его вида 1) так называемое внут-рислойное растрескивание 2) межслойное растрескивание. [c.90] Межслойное раст1лскивание обусловлено главным образом межслойными напряжениями, связанными с взаимодействиями различных слоев, составляющих композит. Эти напряжения имеют тенденщ1Ю усиливаться вблизи мест с резким изменением свойств материала или геометрии. В таком месте трещина может появиться и распространяться по поверхности раздела слоев в композите. Такая трещина обычно называется трещиной расслоения. [c.92] На рис. 2.2 представлен пример расслоения у свободной кромки слоистого композита конечной ширины, нагруженного осевым растяжением. В этом случае вблизи свободных кромок могут развиваться значительные напряжения во всех трех направлениях [2] а компоненты межслойных напряжений могут вызвать расслоение вдоль кромок [3]. [c.92] Приведенный пример показывает, что внутрислойные и меж-слойные трещины в матрице часто взаимодействуют, в результате чего до окончательного разрущения композита в нем появляется сложная сеть повреждений матрицы. [c.93] Очевидно, что с феноменологической точки зрения процесс растрескивания матрицы также может быть очень сложным, строгое математическое описание такого процесса может быть весьма затруднительным. [c.93] Недавно был разработан [4] аналитический подход для раздельного рассмотрения двух основных процессов растрескивания матрицы (когда они не связаны друг с другом). Подход основан на методе упругого слоя [5] и классической теории механики разрущения [6]. Критерий материала, определяющий микро-макро-переход, связанный с возникновением отдельной трещины в матрице, формируется с помоио.ю представления об эффективных дефектах материала. Предполагается, что эффективные дефекты имеют макроскопический размер и характеризуют основные свойства материала, образованного из слоев. В этом заключается целесообразный способ аналитического учета существования дефектов в реальном материале и их влияния на возникновение трещины в матрице. Кроме того, предположение о распределении эффективных дефектов дает возможность описать растрескивание матрицы в различных местах материала. Метод механики разрущения используется для выбора необходимого критерия с целью описания распространения отдельных трещин в матрице, тогда как метод упругого слоя применяется для вычисления трехмерного поля напряжений в различных слоях композита. Стохастический метод моделирования, основанный на данном подходе, представлен в работе [7] для внутрислойных трещин в матрице. [c.93] Вернуться к основной статье