● 摘要
纤维增强复合材料(CFRP)具有优于传统金属材料（如钢、铝等）的高比强度性能，近来越来越多地受到建筑、汽车发动机、航空等行业的关注。其高强度比特性能有效地减轻结构重量，从而使其达到节能和材料费用的效果。本文研究的复合材料(碳纤维增强树脂BMI)由基体和起加强作用的纤维组成，纤维是载荷主要传递者，而基体则主要起着保护纤维和在纤维间传递载荷的作用。复合材料层合板对冲击损伤的敏感性使其成为复合材料结构设计时需要主要考虑的一个方面。为抑制层合板冲击中主要的分层损伤，缝纫通过在层合板厚度方向加入缝线来增加其厚度方向强度，从而使其各层在厚度方向形成一整体。鉴于缝纫复合材料的优点及层合板受冲击后拉伸(TAI)性能的重要性，本文通过试验及理论分析研究了缝纫复合材料的TAI性能。试验研究发现，缝纫只在一定程度上提高了复合材料的TAI性能，其改善程度位于4%-14%之间，这是因为对于处于拉伸载荷作用下的试件来说，分层并不是最主要的损伤形式，其损伤更多侧重于纤维和基体断裂。在理论分析中，利用点应力和纤维区损伤判据来预测TAI性能，并得到了弹性模量的衰减系数Mr。缝纫层合板TAI (σTAI cal)预测结果同试验结果(σTAI test)吻合较好，使用点应力判据时误差在8.0%-12.0%之间，使用纤维区损伤判据时则在8.0%-15.0%之间。研究的另一个方面是关于缝纫复合材料的湿热性能，从试验和理论分析两方面研究了缝纫与无缝纫帘子布T300/QY9512开孔层合板的湿热性能。试验分别在湿热状态和常态进行，并得到了缝纫与无缝纫层合板的压缩、拉伸强度。在研究中，缝纫与环境的影响被分开来单独考虑，缝纫的影响主要通过对在同一环境下的缝纫与无缝纫层合板试验结果的比较来进行，而环境的影响则通过对在同种试件不同环境下的试验结果的比较来进行。试验结果表明，湿热环境对层合板压缩强度影响很大，特别是对于缝纫层合板，其压缩强度下降量高达50%，而研究发现缝纫可以改善层合板的压缩强度，缝纫层合板的湿热压缩性能可以通过改变铺层顺序来改善。在湿热环境下，孔板压缩强度明显下降，其中无缝纫孔板达30%，缝纫孔板达50%。潮湿环境对无缝纫孔板的拉伸强度没有太大影响，且缝纫能有效增加其拉伸强度。从孔板拉伸强度测试结果可以看出，缝纫层合板拉伸强度要比在同一环境下的无缝纫层合板大，且与缝纫方向没有太大关系。本文利用有限元模型研究了缝纫复合材料层合板的强度特性，并将计算结果与试验结果进行比较，验证了模型的有效性。通过前面计算得到的层合板弹性性能及有限元模型，研究了缝纫参数对复合材料层合板的影响，预测了不同环境下层合板的强度。研究发现在一定范围内，层合板压缩强度会减少而拉伸强度会增加。在不同环境下缝纫光滑板压缩强度计算结果与试验结果吻合较好，其最大误差不超过15%，在一些算例中非常接近试验结果；在计算无缝纫层合板拉伸强度时不超过12%，缝纫层合板时不超过5%，计算所有孔板的拉伸强度时都不超过5%。在利用点应力判据预测孔板压缩强度时，同样吻合得很好，无缝纫孔板大约为11%，而缝纫孔板为5%-8%。通过这一模型，研究了在不同环境下缝线半径及缝纫间隔对复合材料光滑板压缩与拉伸性能及孔板压缩性能的影响。结果表明，缝纫针脚间隔越大，缝线半径越小，层合板的压缩强度越大。为了更好掌握地这一结果，本文研究了压缩载荷与位移的关系，研究表明，当缝线半径很小或缝纫间隔很大时，位移与应力一直保持着线性关系，直至压缩载荷达到某值位移突然增加模型发生破坏；而当缝线半径很大时或缝纫间隔很小时，由于针脚引起的初始损伤，位移并不一直与载荷保持线性关系，而是随着载荷增加逐渐失效。