陳 浩 然，　孫 　 直，　石 姍 姍，　胡 曉 智

( 1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系, 遼寧 大連　116024；

2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連　116024；

3.西澳大利亞大學(xué) 機(jī)械工程與化學(xué)工程學(xué)院， 珀斯 西澳大利亞 6009 )

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具芳綸短纖維增韌界面的碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)性能、機(jī)理和分析

陳 浩 然*1,2，孫 直1,2,3，石 姍 姍1,2,3，胡 曉 智3

( 1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系, 遼寧 大連116024；

2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連116024；

3.西澳大利亞大學(xué) 機(jī)械工程與化學(xué)工程學(xué)院， 珀斯 西澳大利亞 6009 )

摘要：碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)常用作航空航天、交通車輛等運(yùn)載工具的主承力結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)在服役過程中容易發(fā)生界面開裂，繼而引發(fā)大面積脫粘、面板局部屈曲等破壞模式，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全．使用芳綸短纖維對碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)的面-芯界面進(jìn)行增韌，在夾芯結(jié)構(gòu)制備過程中，在界面加入低密度芳綸短纖維薄膜，通過芳綸短纖維的橋聯(lián)作用，提高界面的粘接性能．首先通過彎曲和壓縮實(shí)驗(yàn)，對比了增韌和未增韌夾芯結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線、破壞模式等響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)芳綸短纖維界面增韌可以大幅提高碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)力學(xué)性能．其次，基于非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡觀測，分析了芳綸短纖維的增韌效果和增韌機(jī)理．最后，基于均勻彈性材料裂紋的奇異性解和界面裂紋尖端的位移震蕩解，建立了考慮界面裂紋尖端復(fù)雜應(yīng)力場的擴(kuò)展有限元單元，模擬了碳纖維夾芯試件的界面開裂過程．以上研究工作有助于揭示芳綸短纖維增韌界面的斷裂機(jī)理，建立界面增韌參數(shù)設(shè)計(jì)方法，提高碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并為結(jié)構(gòu)的健康診斷和工藝改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)．

關(guān)鍵詞：碳纖維夾芯梁；界面增韌；芳綸短纖維；纖維橋聯(lián)作用；擴(kuò)展有限元法

0引言

碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，其比剛度、比強(qiáng)度、環(huán)境魯棒性等性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶等領(lǐng)域[1]．然而，由于面板和芯體的彈性模量存在較大差異，連接面板與芯體的界面存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題．尤其是在局部接觸、沖擊荷載或過載等情況下，面/芯界面容易發(fā)生局部開裂，并可能引發(fā)大面積脫粘、面板局部屈曲等繼發(fā)性破壞，大幅削弱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全[2]．因此，提高界面性能有助于提高碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能．目前除了使用斷裂韌性更高的材料，物理性的界面增韌方法越來越受到人們的重視．

界面增韌方法通過引入額外的材料，形成阻礙界面斷裂的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高斷裂韌性的目的．一類增韌方法是依靠貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)的增韌纖維將結(jié)構(gòu)固定在一起[3]，如“Z-pin”、縫紉等方法．然而這些整體固定方法具有引入缺陷、工藝復(fù)雜、適用范圍窄等問題[4]．另一類增韌方法則僅在界面內(nèi)部混入芳綸短纖維、碳纖維、納米管、納米顆?；驘崴苄詷渲软g性材料，以達(dá)到增韌目的，這些微觀界面增韌方法具有成本低、適用性廣的優(yōu)點(diǎn)．近期，Yasaee等[5]對比了芳綸短纖維、碳纖維、熱塑性樹脂膠膜等材料的增韌效果，結(jié)果顯示芳綸短纖維對界面Ⅰ型和Ⅱ型臨界能量釋放率均取得了優(yōu)異的增韌效果，且導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)增重最小．

本文作者之一較早地使用芳綸短纖維對碳纖維進(jìn)行界面增韌，發(fā)現(xiàn)芳綸短纖維能夠在界面形成纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，這些橋聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于提高界面斷裂韌性[6]．近年來，作者將芳綸短纖維增韌方法擴(kuò)展至碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)[7-15]．首先研究芳綸短纖維增韌對其各項(xiàng)力學(xué)性能的影響，分析芳綸短纖維的增韌效果和增韌機(jī)理．然后建立分析多相材料界面裂紋的擴(kuò)展有限元單元，用于模擬碳纖維/泡沫鋁夾芯梁試件的界面開裂過程．

1芳綸短纖維增韌夾芯結(jié)構(gòu)的制備

芳綸短纖維增韌方法是在夾芯結(jié)構(gòu)的面/芯界面混入特定長度的芳綸短纖維，提高界面的斷裂韌性．由于面/芯界面的厚度僅有15~50 μm，芳綸纖維的直徑為12~15 μm，因此要求芳綸短纖維在界面內(nèi)僅能堆疊1~3層，以免影響結(jié)構(gòu)厚度．同時(shí)，芳綸短纖維應(yīng)保證分布的均勻性和松散性，以避免界面性能不穩(wěn)定或結(jié)構(gòu)重量增加過多．

為了在界面內(nèi)形成低密度、分布均勻的芳綸短纖維，首先將芳綸纖維剪至2~30 mm長度，再將剪切后的芳綸短纖維在空氣或液體中攪拌至均勻，之后等待纖維自然沉降或手工分布成均勻的宣紙狀薄膜，如圖1所示．芳綸短纖維薄膜可以按任意尺寸批量制備，干燥后備用．

圖1　芳綸短纖維薄膜(面密度3 g/m2)

Fig.1Thintissueofshort-aramid-fibers(arealdensity3g/m2)

在碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)制備過程中，先使用相同的樹脂浸潤碳纖維面板、芳綸短纖維薄膜與芯體的表面，再將各部分按需要鋪設(shè)．共固化成型后芳綸短纖維均勻地分布在面/芯界面內(nèi)，起到增韌的作用[7-8]．芳綸短纖維與各種樹脂均有良好的粘接性，保證了增韌界面的整體性，增韌結(jié)構(gòu)的制備方法與傳統(tǒng)夾芯結(jié)構(gòu)類似，不需要復(fù)雜的設(shè)備改裝．

2.1泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)

泡沫鋁由大量不均勻的空心多面體構(gòu)成，具有吸能、隔音、隔熱等特點(diǎn)，是一種常見的芯體材料．由碳纖維面板和泡沫鋁芯體組成的碳纖維-泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、吸能等優(yōu)點(diǎn)，常用于汽車車身等對沖擊性能要求較高的部件．

采用第1章所述的制備方法制作不同參數(shù)的碳纖維泡沫鋁夾芯試件，分別研究芳綸短纖維增韌對夾芯結(jié)構(gòu)彎曲性能和壓縮性能的影響[7-8]．碳纖維泡沫鋁夾芯試件的材料性能、幾何尺寸、實(shí)驗(yàn)條件和方法參見文獻(xiàn)[7]、[8]．

圖2為典型碳纖維/泡沫鋁夾芯試件的三點(diǎn)彎曲荷載-位移曲線，增韌和未增韌夾芯梁在準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲荷載下均經(jīng)過初始彈性變形、局部壓入破壞、后繼破壞和最終整體破壞4個(gè)階段．對比圖2中4條曲線，可以發(fā)現(xiàn)在初始彈性變形階段，4個(gè)典型碳纖維/泡沫鋁夾芯梁的荷載-位移曲線基本相同，證明芳綸短纖維增韌方法對結(jié)構(gòu)剛度的影響較?。欢?dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞后，夾芯梁的承載力隨著芳綸短纖維密度的增加而增加，并且其極限荷載、極限位移均有所提高，并且可以推斷夾芯梁的能量吸收性能也隨著芳綸短纖維密度的增加而增加．以上結(jié)果顯示：芳綸短纖維增韌方法能夠有效抑制夾芯梁的破壞，保持夾芯梁結(jié)構(gòu)的整體性，證實(shí)了芳綸短纖維增韌對碳纖維/泡沫鋁夾芯梁的增強(qiáng)作用．

圖2不同密度芳綸短纖維增韌碳纖維/泡沫鋁夾芯梁的荷載-位移曲線

Fig.2Load-displacementcurvesofcarbon-fiber/aluminum-foamsandwichbeamswithvariousdensitiesofshort-aramid-fibertoughening

進(jìn)一步對比不同增韌參數(shù)的碳纖維/泡沫鋁夾芯試件在三點(diǎn)彎曲荷載下的平均極限荷載、平均極限位移和平均能量吸收等性能，可以發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)的芳綸短纖維增韌均能提高夾芯梁的力學(xué)性能．其中平均極限荷載可以從0.47kN(未增韌試件)提高至0.65kN(14mm、12g/m2芳綸纖維增韌試件)，即提高38%；平均極限位移可由33mm(未增韌試件)提高至41mm(14mm、50g/m2芳綸纖維增韌試件)，提高幅度為24%；平均能量吸收從8.7J(未增韌試件)提高至15.7J(14mm、50g/m2芳綸纖維增韌試件)，即提高80%；考慮相應(yīng)試件的結(jié)構(gòu)重量僅增加0.77%，芳綸短纖維增韌具有良好的增強(qiáng)效率[7]．

圖3展示了面內(nèi)壓縮荷載下，典型碳纖維/泡沫鋁夾芯試件的變形歷史．在線彈性變形階段(O-I段)，增韌與未增韌試件的變形模式相似，均為夾芯梁整體均勻壓縮變形；在局部破壞階段(I-II段)，增韌與未增韌試件的界面裂紋均發(fā)生擴(kuò)展，不同的是未增韌試件的界面裂紋擴(kuò)展長度較大，而增韌試件的界面裂紋擴(kuò)展長度較小，兩側(cè)碳纖維面板均在界面裂紋小范圍擴(kuò)展后發(fā)生強(qiáng)度破壞；在后繼破壞階段(II-III段)，芳綸短纖維增韌與未增韌試件的變形模式差異很大，增韌試件的芯體持續(xù)發(fā)生均勻壓潰破壞，使增韌試件維持較高承載力水平，而未增韌試件面/芯界面裂紋持續(xù)擴(kuò)展，泡沫鋁芯體在此界面裂紋擴(kuò)展過程中也因自由長度較大而發(fā)生屈曲變形，使未增韌試件芯體的承載力也低于增韌試件．

圖3典型增韌和未增韌碳纖維/泡沫鋁夾芯梁在面內(nèi)壓縮荷載下的變形歷史

Fig.3Deformationhistoryofplainandtoughenedcarbon-fiber/aluminum-foamsandwichbeamsunderin-planecompression

此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示未增韌和6、50、100、200g/m2芳綸纖維增韌試件的平均極限荷載分別為2.96、3.00、3.52、4.02、4.16kN，即芳綸短纖維可以提高試件極限荷載達(dá)41%．芳綸短纖維密度超過100g/m2前，試件極限荷載的提升與短纖維密度成線性相關(guān)趨勢，但芳綸短纖維密度從100g/m2提高至200g/m2對夾芯梁試件的極限荷載無明顯影響．因此，為避免大幅增加試件重量，芳綸短纖維的密度應(yīng)小于100g/m2[8]．

2.2蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)

蜂窩鋁是由薄壁鋁箔組成的規(guī)則蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)幾何形狀，蜂窩鋁可以分為六邊形、菱形、矩形、三角形、五角形等．蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)不僅具有優(yōu)異的性能-重量比，還具備吸收聲波、電磁波等功能性，在航空航天、兵器工業(yè)、汽車、船舶等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用．

同樣采用第1章所述的制備方法制作碳纖維蜂窩鋁夾芯試件，分別研究芳綸短纖維增韌對蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)彎曲性能和壓縮性能的影響[9]．碳纖維蜂窩鋁夾芯試件的材料性能、幾何尺寸、實(shí)驗(yàn)條件和方法參見文獻(xiàn)[9]．

三點(diǎn)彎曲荷載作用下，如圖4所示，增韌試件在初始彈性階段的抗彎剛度與未增韌試件基本一致，但其極限荷載明顯高于未增韌試件；在結(jié)構(gòu)整體破壞階段，增韌試件的承載力階梯狀下降，而未增韌試件的承載力以較快速度下降．相比于未增韌的碳纖維蜂窩鋁夾芯試件，增韌試件的極限荷載和能量吸收平均值分別上升14.06%和61.53%，而標(biāo)準(zhǔn)差分別下降37.14%和52.65%[9]．這說明芳綸短纖維對界面起到了良好的增韌作用，減小了界面脫粘破壞對碳纖維蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并降低了由于界面脫粘造成的結(jié)構(gòu)承載力分散現(xiàn)象．

圖4增韌和未增韌碳纖維蜂窩鋁夾芯試件在三點(diǎn)彎曲荷載下的平均荷載-位移曲線

Fig.4Averageload-displacementcurvesofplainandtoughenedcarbon-fiberaluminum-honeycombsandwichbeamsunderthree-pointbending

面內(nèi)壓縮荷載作用下，可以觀察到芳綸短纖維增韌阻止了夾芯試件的面/芯脫粘破壞，使整個(gè)試件在壓縮荷載作用下始終保持完整，因而增韌試件的極限荷載遠(yuǎn)高于未增韌試件．相比于未增韌碳纖維蜂窩鋁夾芯試件，增韌試件的平均極限荷載和能量吸收性能分別上升55.80%和99.47%，而標(biāo)準(zhǔn)差分別下降0.97%和65.10%[9]．同樣地說明芳綸短纖維的良好增韌作用，減少了界面脫粘破壞，使結(jié)構(gòu)在面內(nèi)壓縮荷載作用下極限荷載和能量吸收性能大幅增長．

2.3混合芯體夾芯結(jié)構(gòu)

碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)具有廣泛的芯體選擇，除前述的泡沫鋁、蜂窩鋁等單一芯體外，還可以將兩種或多種芯體組合，組成具有混合芯體的夾芯結(jié)構(gòu)[10]．具有混合芯體的夾芯結(jié)構(gòu)不僅存在面/芯界面，各芯體之間也存在界面，具備多界面的特點(diǎn)，對界面的安全性和可靠性有更高的要求．

使用芳綸短纖維界面增韌方法，對混合芯體夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行多界面增韌，可以保證各界面的完整性，進(jìn)而發(fā)揮混合芯體的優(yōu)勢．在三點(diǎn)彎曲荷載下，具有格柵/蜂窩鋁混合芯體夾芯結(jié)構(gòu)的平均極限荷載和平均能量吸收性能分別比蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)高出365.49%和499.28%；比平均極限荷載和平均能量吸收性能分別高出80.57%和132.45%．面內(nèi)壓縮荷載下，混合芯體夾芯結(jié)構(gòu)的平均極限荷載和平均能量吸收性能分別比蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)高出365.49%和499.28%[10]．綜上所述，芳綸短纖維增韌方法可以有效提高多種夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，適用范圍廣，增韌效果顯著．

3芳綸短纖維界面增韌效果和機(jī)理

3.1芳綸短纖維增韌界面的斷裂韌性

為進(jìn)一步定量地研究芳綸短纖維對界面性能的影響，并分析芳綸短纖維的增韌機(jī)理，首先對具有芳綸短纖維增韌界面的碳纖維夾芯梁進(jìn)行界面臨界能量釋放率測量．

考慮碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)芯體選擇的多樣性，選取4種表面粗糙度不同的金屬芯體材料，分別為2400#和80#碳化硅砂紙表面拋光的鋁合金芯體、Alulight閉孔泡沫鋁芯體和Alporas閉孔泡沫鋁芯體．參照ASTMD5528-01標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)裝置與試件如圖5所示[11-15]，分別測量面/芯界面的臨界能量釋放率．

圖5　非對稱雙懸臂梁試件示意圖

使用2400#砂紙打磨芯體、80#砂紙打磨芯體、斜紋表面Alulight芯體和多孔Alporas芯體的未增韌夾芯梁試件的平均臨界能量釋放率分別為105、174、27和1 566J/m2．與前述未增韌試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對應(yīng)，6mm、12g/m2芳綸短纖維增韌試件的平均臨界能量釋放率分別為151、441、511和2 720J/m2．12g/m2的芳綸短纖維薄膜增加結(jié)構(gòu)重量不足0.77%，表明本章使用的芳綸短纖維界面增韌方法具有較好的效率．進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，使用2400#砂紙打磨芯體的夾芯梁試件的臨界能量釋放率提高效果最低，為46J/m2(44%)；使用多孔Alporas芯體的夾芯梁試件的臨界能量釋放率提高效果最高，達(dá)到1 154J/m2(74%)[11]．以上趨勢表明，芳綸短纖維的界面增韌效果隨芯體表面粗糙度的增加而提高．

上述結(jié)果顯示了芳綸短纖維對不同芯體的增韌效果，為進(jìn)一步研究芳綸短纖維長度對增韌效果的影響，本文選取6~14mm長的芳綸短纖維對碳纖維/Alporas閉孔泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行增韌，并分別測量其臨界能量釋放率．測量結(jié)果顯示芳綸短纖維增韌試件的臨界能量釋放率明顯高于未增韌試件．同時(shí)，雖然不同長度的芳綸纖維均能有效提高碳纖維/泡沫鋁夾芯梁試件的界面臨界能量釋放率，但6mm芳綸纖維的提高效果最顯著，隨著纖維長度的增加，提高效果逐漸降低．未增韌夾芯梁試件的穩(wěn)定臨界能量釋放率平均值為1 518J/m2，而6mm和8mm芳綸纖維增韌試件的穩(wěn)定臨界能量釋放率平均值分別為2 753和2 709J/m2，即分別提高81%和78%[13]．此外，在芳綸短纖維薄膜的制備過程中，可以通過表面處理方法去除纖維表面的硅膠涂層等雜質(zhì)，進(jìn)一步改善芳綸短纖維與樹脂之間的粘接強(qiáng)度，進(jìn)而改善增韌效果[15]．

3.2芳綸短纖維的增韌機(jī)理

為進(jìn)一步理解芳綸短纖維的增韌機(jī)理，對芳綸纖維增韌的夾芯梁試件進(jìn)行掃描電鏡觀測．掃描電鏡觀測所使用的儀器為PhillipsXL30掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為40~1 000倍，電壓加速度為15kV．

碳纖維面板典型斷面富脂區(qū)域的觀測圖像顯示，芳綸纖維裸露在樹脂外，并具有明顯的末端分叉變細(xì)特征，表明芳綸纖維在界面斷裂過程中，首先從另一側(cè)芯體的富脂區(qū)域中剝離、拔出，形成連接面板和芯體的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)；之后，因界面裂紋進(jìn)一步張開，芳綸纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸破壞[13-15]．

泡沫鋁芯體一側(cè)的斷面特征同樣顯示了芳綸短纖維的拔出和斷裂特征，另外還可觀察到整齊、密集排列的碳纖維的剝離痕跡，表明裂紋在界面內(nèi)曲折擴(kuò)展[13-15]．

此外，面/芯界面層展現(xiàn)出的另一種形貌則表現(xiàn)為在芯體孔壁附近出現(xiàn)“復(fù)合材料圓角”．該“圓角”結(jié)構(gòu)是由于在夾芯結(jié)構(gòu)制備過程中，部分芳綸短纖維隨著樹脂流動(dòng)，受到表面張力的影響，在多孔芯體的孔壁附近出現(xiàn)富脂區(qū)域．在“復(fù)合材料圓角”區(qū)域，也可以觀察到大量均勻且隨機(jī)分布的芳綸短纖維，以及芳綸短纖維發(fā)生斷裂的痕跡[10]．

綜上所述，加入芳綸短纖維，界面開裂后會(huì)出現(xiàn)連接界面兩端的短纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界荷載；并通過纖維拔出、纖維破壞等行為耗散能量，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率．同時(shí)，短纖維增韌界面可以在多孔芯體的孔壁附近形成“圓角”增強(qiáng)結(jié)構(gòu)．這種微觀結(jié)構(gòu)增加了界面的接觸面積，進(jìn)而提高了界面粘接性能．以上觀測揭示了芳綸短纖維的微觀增韌機(jī)理．

4芳綸短纖維增韌界面裂紋擴(kuò)展分析

目前，擴(kuò)展有限元方法已廣泛應(yīng)用在多材料接觸、斷裂力學(xué)分析等不連續(xù)性問題，現(xiàn)有文獻(xiàn)集中于研究均勻材料出現(xiàn)裂紋后的應(yīng)力分析．但碳纖維夾芯材料/結(jié)構(gòu)的界面斷裂問題既包含幾何不連續(xù)性，即界面裂紋，又包含物理不連續(xù)性，即面板、芯體和界面三相材料性能差異；同時(shí)，其界面裂紋尖端應(yīng)力場受到復(fù)合材料各向異性性能和芯體塑性行為的影響．本文將考慮多相材料界面的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，基于均勻材料斷裂的彈性力學(xué)解和界面裂紋尖端的震蕩解，建立分析多相材料界面裂紋的擴(kuò)展有限元單元．

當(dāng)兩相性能不同的材料結(jié)合時(shí)，假設(shè)裂紋表面為自由表面，使用Dundurs參數(shù)，可以得到裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力和位移分布如下：

(1)

(2)

其中Bj為極坐標(biāo)下應(yīng)力函數(shù)的Goursat公式的系數(shù)．

在式(2)基礎(chǔ)上選取一組輔助函數(shù)作為逼近多相材料界面斷裂的試探解：

(3)

結(jié)合式(3)給出的輔助函數(shù)，在平面四節(jié)點(diǎn)單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度引入9個(gè)額外的位移變量，則可以建立考慮界面裂紋尖端奇異性的平面四節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展有限元單元．使用ABAQUS用戶子程序編制擴(kuò)展有限元單元，模擬3.1節(jié)的非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)過程，得到臨界荷載-界面裂紋擴(kuò)展距離曲線的擴(kuò)展有限元模擬結(jié)果，如圖6所示．

圖6臨界荷載-界面裂紋擴(kuò)展距離曲線的擴(kuò)展有限元模擬結(jié)果及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比

Fig.6Comparisonofcritical-loadcrack-extensioncurvebetweenXFEMresultsandexperimentaldata

圖6中，XFEM結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，且趨勢相同，即隨裂紋擴(kuò)展距離的增加夾芯梁臨界荷載先增加、后下降．上述趨勢是因?yàn)殡S著裂紋擴(kuò)展距離的增加，首先芳綸短纖維橋聯(lián)結(jié)構(gòu)的數(shù)量逐漸增加，進(jìn)而提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界荷載和臨界能量釋放率，導(dǎo)致夾芯梁臨界荷載上升；然后，當(dāng)裂紋擴(kuò)展距離進(jìn)一步增加時(shí)，張開位移較大區(qū)域的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸失效，界面裂紋擴(kuò)展的臨界荷載和臨界能量釋放率保持穩(wěn)定，夾芯梁的臨界荷載因懸臂梁臂長增加而降低．通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了本文提出的考慮多相材料界面斷裂的擴(kuò)展有限元分析方法的有效性和準(zhǔn)確性．

圖7顯示了不同面板厚度t條件下，臨界荷載-界面裂紋擴(kuò)展距離曲線的擴(kuò)展有限元模擬結(jié)果．裂紋擴(kuò)展距離增加時(shí)，3條曲線的變化趨勢基本一致，夾芯梁的臨界荷載均先因界面臨界能量釋放率提高而提高，之后因懸臂梁臂長增加而下降．對比不同面板厚度的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，夾芯梁臨界荷載隨著面板厚度的增加而提高．但夾芯梁臨界荷載的提高比例明顯低于面板慣性矩提高的比例．這是因?yàn)殡m然面板的彎曲剛度隨著面板厚度的增加而顯著上升，但界面裂紋在界面張開位移較小時(shí)即發(fā)生后繼性的裂紋擴(kuò)展破壞．因此，提高面板厚度雖然可以提高夾芯梁的剛度，但會(huì)增加界面破壞的風(fēng)險(xiǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)分析．

圖7不同面板厚度條件下，夾芯梁臨界荷載-界面裂紋擴(kuò)展距離曲線的擴(kuò)展有限元模擬結(jié)果

Fig.7Critical-loadcrack-extensioncurvesofsandwichbeamswithvariousface-sheetthicknesses

5結(jié)論

(1)芳綸短纖維增韌可以有效抑制碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲和面內(nèi)壓縮加載過程中的界面開裂和開裂后的裂紋擴(kuò)展，避免結(jié)構(gòu)因界面分層破壞而失效，進(jìn)而顯著提高試件的力等性能．實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，芳綸短纖維可以顯著提高試件極限荷載、能量吸收性能，而試件重量的增加很?。瑫r(shí)，試件承載力、能量吸收等性能隨芳綸短纖維密度的提高而提高，但試件性能的提高速度逐漸降低．

(2)采用非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)方法測量界面擴(kuò)展的臨界能量釋放率，發(fā)現(xiàn)芳綸短纖維增韌可以顯著提高界面的斷裂韌性．微距拍攝和微觀掃描電鏡觀測顯示，芳綸短纖維在界面開裂后形成連接面板和芯體的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界荷載；并通過纖維拔出、纖維破壞等行為耗散能量，提高界面裂紋擴(kuò)展的臨界能量釋放率;同時(shí)，芳綸短纖維增韌界面可以在泡沫芯體孔壁與面板連接區(qū)域形成“圓角”增強(qiáng)結(jié)構(gòu)．以上現(xiàn)象合理地解釋了芳綸短纖維的微觀增韌機(jī)理．

(3)基于均勻材料斷裂的彈性力學(xué)解和界面裂紋尖端的震蕩解，建立了分析多相材料界面裂紋的擴(kuò)展有限元單元，并對碳纖維/泡沫鋁夾芯梁試件的非對稱雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬．首先通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了本文提出的擴(kuò)展有限元分析方法的有效性和準(zhǔn)確性．之后對比不同面板厚度條件下夾芯梁的臨界荷載-界面裂紋擴(kuò)展距離，為該結(jié)構(gòu)增韌參數(shù)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)．

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Properties, mechanisms and their analysis of carbon fiber sandwich structures with short-aramid-fiber interfacial toughening

CHENHao-ran*1,2,SUNZhi1,2,3,SHIShan-shan1,2,3,HUXiao-zhi3

( 1.Department of Engineering Mechanics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024, China；3.School of Mechanical and Chemical Engineering, University of Western Australia, Perth, WA 6009, Australia )

Abstract：Carbon fiber sandwich structures are widely used as load-bearing structures in aerospace, automobile and other vehicles. Interfacial fracture, which frequently occurs in these structures, could lead to large-area debonding, face-sheet buckling and significantly affect the structural safety. Short-aramid-fibers were selected to toughen the interface of carbon fiber sandwich. Low density tissue of short-aramid-fibers were inserted at the interface during the manufacturing of sandwich structures, and the interfacial toughness was enhanced by bridging effect of short-aramid-fibers. The load-displacement curves and failure modes of toughened and plain sandwich specimens were firstly compared through bending tests and compressive tests. The experimental results indicate that various mechanical properties are all reinforced by short-aramid-fiber toughening. Then, the toughening effect and mechanism of interleaved aramid fibers were examined by asymmetric double cantilever beam test and scanning electron microscopy respectively. Finally, based on the singularity solution of uniform elastic material crack and displacement shock solution of crack tip of interface, an extended finite element model (XFEM), which considered the complex stress field at the crack tip of interface, was proposed for simulation of interfacial fracture of carbon fiber sandwich structures. This study will benefit the disclosing of fracture mechanism of short-aramid-fiber toughened interface, establishing the method of designing interfacial toughening parameters, increasing the mechanical properties of carbon fiber sandwich structures, and providing scientific basis for health monitoring and manufacturing of this kind of structure.

Key words：carbon fiber sandwich beam; interfacial toughening; short-aramid-fibers; fiber-bridging effect; extended finite element method

作者簡介:陳浩然*(1940-)，男，教授，E-mail:chenhr@dlut.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10672027)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(11102032，11502042)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M570244)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT14RC(3)126).

收稿日期：2015-10-20；修回日期: 2015-11-15．

中圖分類號(hào)：TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.7511/dllgxb201601016

文章編號(hào)：1000-8608(2016)01-0103-08

資深教授學(xué)術(shù)論文專欄