为什么做内聚力实验以及模拟?

纤维是一种沿着方向性材料。其沿着铺放方向的材料性能高于其它方向。正是由于这种特性,纤维增强复合材料板呈现出准各向同性(transversely-isotropic)或者正交各向异性(orthotropic)的性质。也是由于这种特性和形态,纤维复合材料平板的失效变得更为复杂。断裂方向不再仅仅局限于施加的力(Loads),结构几何(Geometry),或者边界条件(Boundary conditions)了,而且还有纤维材料铺层方向(Fibre orientation)。

在纤维与基体的交界面,材料的强度要比单一的基体或者纤维要弱很多,所以材料通常更容易在这个区域失效。而且,由于残余热应力在复合材料层间与层内的存在(纤维与基体具有不同的热膨胀系数),失效形式(Failure modes)就变得更复杂多样了。

层间失效(Intralaminar failure)会同时引起单一复合材料平板结构的失效。在基体主导的失效模式中,基体一旦发生断裂,层合板就会失效。而受到纤维方向力的层合板的最终失效是由纤维的断裂累积导致的。

而通常为了让结构达到更好的性能,具有不同纤维方向的复合材料平板会被制造出来以应对不同工况。这样的话,层间失效模式会不断的在复合材料层合板中出现,直到复合材料结构最终失效。由此看来层间失效显得尤为重要。而内聚力模型是用来描述层间失效的一种重要手段,其体现形式为拉伸分离曲线(Traction-displacement curve),通常以stress-displacement curve最为常见。

内聚力原理

Cohesive zone modelling (CZM)

关于内聚力模型的曲线,也就是Traction-relative displacement curve,已经有很多人做过实验或者模拟来验证了。下面是几个比较常见的拉伸分离曲线:

其中线性的拉伸分离曲线是比较常用的。

斜率