开孔碳-碳复合材料拉伸力学性能分析

唐玉玲，刘 颖，马兴国

(黑龙江工程学院 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

开孔碳-碳复合材料拉伸力学性能分析

唐玉玲，刘 颖，马兴国

(黑龙江工程学院 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

对三种不同开孔形式的碳-碳编织复合材料板进行拉伸测试，获得中央开孔(CH)、双孔串联(DHC)和双孔并联(DHB)三种开孔板的破坏载荷和破坏模式，三种结构的载荷-位移曲线均为线性。采用数值方法，基于点应力准则预报开孔碳-碳编织复合材料板的破坏载荷，与试验结果吻合较好。利用该模型对开孔板应力进行分析，讨论开孔形式对破坏载荷的影响，并获得碳-碳编织复合材料不同开孔下的应力集中系数，对于5 mm厚开圆孔板，碳-碳编织复合材料表现为缺口不敏感。

复合材料；碳-碳；应力集中；拉伸破坏；缺口强度

碳-碳(C-C)复合材料是碳纤维与碳结合在一起构成的复合材料，包括预成型体和基体碳。C-C预成型体的形式多样，有单向、二维、三维甚至是多维。 C-C复合材料不仅是一种材料，更是一种结构，其比强度高、比模量高且质轻[1]，强度在 2300℃的超高温下不仅不会降低反而会增强[2]，因而广泛应用于航天、航空、核能、医用等领域。结构和可靠性设计是C-C复合材料应用的关键，而构件在制备和使用过程中不可避免存在加工开孔和缺口，以及缺陷(如制造空洞、纤维分布弯曲、基体分布不均等)和损伤(如外来物撞击等)都会造成局部的应力集中。日本学者Yasuo Kogo[3]等人通过对单丝增强C-C复合材料和C纤维束增强C-C复合材料的实验来确定C-C复合材料的强度控制因素。Lars Denk[4]对 C-C层合板在改变0°和90°铺层比例下使用几种方法进行剪切断裂测试。Mohamed S[5]比较了3D与2DC-C复合材料的一些静态力学性能，比较并研究了力学性能包括拉伸和剪切应力-应变的关系，分析了紧凑拉伸和双边缺口结构的断裂行为。然而，极高的制造成本使得C-C编织复合材料及其结构缺乏全面的材料性能数据。目前，对C-C 编织复合材料开口结构的力学性能进行系统、全面地研究尚不多见。

为了深入了解C-C复合材料构件应力集中问题和缺口(含开孔)敏感性，本文对C-C编织复合材料开孔结构进行静力拉伸测试，获得失效模式和破坏载荷。利用数值方法预报开孔板的破坏载荷，并对其应力分布状态以及缺口敏感性进行分析，为工程应用提供有益试验数据和数值模型。

1 试验材料及方法

测试的C-C复合材料为正交三向编织C-C复合材料,C-C复合材料的体积密度为1.95 g/cm3。试件开口类型为：中央开孔(CH)、双孔串联(DHC)和双孔并联(DHB)，三种试件的几何尺寸如图1所示，试件夹持区两侧贴有铝板作为加强片。所有测试均在常温下进行，应用INSTRON(5569)电子拉伸机施加位移载荷，沿图1中所示的1方向以0.5 mm/min的速率加载，直至试件失效，试验设备如图2所示。

图1 拉伸测试试件

图2 开孔试件拉伸试验设备

2 数值模型

利用有限元软件ABAQUS进行拉伸试件的应力分析。建立三维正交各向异性有限单元模型 (单元类型为C3D20R)，材料的工程常数由各单位提供，见表1。开孔附近网格加密，数值模型如图3所示，边界条件为板一端固定，另一端施加位移载荷。采用点应力准则(PSC)预报缺口强度，该准则是由Whitney和Nuismer最先提出[5]，它是基于无缺口强度(σ0)和特征尺寸(d0)的两参数模型。该模型认为当距离开孔(或缺口)边缘d0处的点达到无缺口强度(σ0)时，破坏发生，文献[7]给出了点应力准则的计算公式

σx(R+d0,0)=σ0.

(1)

表1 C-C三维编织复合材料力学性能

图3 C-C编织复合材料开孔板数值模型

3 结果与讨论

3.1 破坏模式与破坏载荷

采用 OLYMPUS (SZX 12)体式显微镜观察试件断口形貌，如图4所示。由图4可见，试件均沿横截面发生脆性断裂，断口较为平齐，破坏时纤维断裂，伴有少量纤维拔出现象。

图5给出三种C-C编织开口试件的拉伸载荷-位移曲线，三种结构的载荷位移曲线初始阶段呈现非线性变化，并很快趋于线性变化，直至终止拉伸脆断。初始阶段的非线性由拉伸机初始装配间隙造成。

图4 含单孔试件拉伸断口

图5 试件拉伸载荷位移曲线

采用ABAQUS有限元软件，基于点应力准则预报开孔试件的破坏载荷，并将结果与实验结果(平均值)进行对比，如图6所示。由于有限元模拟是理想状态下，没有考虑材料初始缺陷和损伤过程，因此,其得出的极限载荷比实验值偏大，最大误差为10%。如图6所示，当中央开单孔时，随着开孔直径的增加，含中央单孔的试件单向拉伸载荷下的承载能力下降。当试件开双孔时，双孔串联时的破坏载荷高于双孔并联，这是由于并联对截面削弱较大。

图6 破坏载荷实验值(平均值)与数值预报对比

3.2 应力集中系数

开孔带来了局部的应力集中使承载能力下降，因此，C-C开孔结构应力集中问题的分析是结构设计的基础。应力集中系数是用应力集中处的应力峰值比上远端平均应力，即含缺陷材料的应力集中系数Ktg。

(2)

式中:σmax为缺口根部最大应力，σref=F/A参考应力，等于所加载荷与毛面积(无缺口处试件截面面积)之比，即加载端平均应力。当材料一定时，Ktg反映了开孔结构的承载能力。

一般情况下σmax可以通过建立相应的方程来求解，但对于开孔C-C复合材料来说，通过建立弹性力学方程求解是比较困难的，特别是对于开孔形状比较复杂的，理论解是很难得到的。

为了分析不同开孔形式C-C复合材料板应力集中系数的变化规律，将开孔半径无量纲化，改变参数D/W，得到中央开孔C-C复合材料板应力集中系数的变化规律如图7所示。由图7的结果可以发现，应力集中系数与D/W的比值有关，应力集中系数Ktg随D/W的增大而增大。可以发现板宽对应力集中系数的影响是较大的。

双孔并联时，讨论开孔间距及开孔大小对开孔板应力集中系数的影响，计算开孔板上(见图8)A、B两点的应力集中系数，如图9所示。当板宽一定时，Ktg随孔径的增大而增大，并随开孔间距Lc增加而降低，且点B的应力集中系数对Lc更敏感。

双孔串联时，分析双孔间距及开孔大小对开孔板应力集中系数的影响，如图10所示。由应力集中系数变化曲线可知,应力集中系数Ktg随双孔直径的增大而增大，随孔间距的增大而增大。这与参考文献《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》中有限宽板单向拉伸时计算的应力集中系数的结论一致。

图7 板宽和孔径变化对应力集中系数的影响

图8 横向双孔简化模型

图9 开孔直径与孔间距对应力集中系数的影响

图10 开孔直径及间距对应力集中系数的影响

3.3 缺口敏感性分析

由相关单位提供的三维C-C复合材料轴向拉伸强度为192 MPa，则对于本文中无缺口平板而言，其单向拉伸极限载荷为28.8 kN。现将含不同开孔形式的三维C-C材料平板拉伸结果比较，见表2。材料开孔敏感性是指开孔导致材料的破坏机制发生根本性改变，即使是承载面积略有减小，其承载能力却会大幅下降。从表2可以看出，对于开单孔D=6 mm的试件，其承载净截面积比未开孔试件减小20%，但是承载能力仅下降了14.9%，同样对于双孔串联和双孔并联试件，承载面积分别减小了26.7%和40%，而其极限载荷只下降了17.4%和27.8%，低于面积下降比例。由此可知，当板厚t=5 mm且开圆孔时，本文所研究的三维C-C复合材料表现为缺口不敏感。

表2 C-C编织复合材料缺口敏感性

4 结 论

对三种开孔结构(中央开孔、双孔串联和双孔并联)的碳-碳编织复合材料开孔试件在拉伸载荷下的力学性能进行实验和数值分析，得到结论如下：

1)中央开孔(CH)、双孔串联(DHC)和双孔并联(DHB)三种结构的C-C编织复合材料在拉伸载荷下均为脆性破坏，载荷-位移曲线为线性关系。

2)基于点应力准则的ABAQUS有限元数值模型可以有效地预报开孔试件的破坏载荷，并可得到不同开孔试件的应力集中系数随几何参数的变化规律。

3)对于5 mm厚的三维C-C编织复合材料开圆孔时，该材料表现为缺口不敏感。

[1]FITZER E,MANOCHA L M. Carbon reinforcements and carbon/carbon composites[M]. Berlin: Springer,1998.

[2]Hiroshi Hatta,Keisuke Taniguchi Yasuo Kogo. Compressive strength of three-dimensionally reinforced carbon-carbon composite[M]. Carbon,2005,43:351-358.

[3]YASUO KOGO,AKIHIRO KIKKAWA,WATARU SAITO,et al. Comparative study on tensile fracture behavior of monolament and bundle C/C composites[M].Composites,2006,37:2241-2247.

[4]LARS DENK,HIROSHI HATTA,AKIHIRO MISAWA.Shear fracture of C-C composites with variable stacking sequence. Carbon,2001,39:1505-1513.

[5]HATTA H,GOTO K,AOI T. Strengths of C/C composites under tensile,shear,and compressive loading: Role of interfacial shear strength[M]. Comp Sci Technol,2005,65:2550-2562.

[责任编辑：郝丽英]

Mechanicalpropertiesanalysisofcarbon-carboncompositeopeningstructureundertension

TANG Yu-ling,LIU Ying,MA Xing-guo

(College of Electromechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China)

The tensile fracture of the carbon-carbon braided composite structures has been studied through static tensile test. Three structures including circularly holed (CH),double-hole-x (DHC) and double-hole-y (DHB) specimens have been considered for this investigation. It has been showed that three open structures in the tensile failure show a strong linear stress-strain relationship. Numerical method,based on the point stress criterion (PSC),predicts the failure load of openings carbon-carbon composites,and gives a good agreement with the experimental result. Using the model to analyze the stress,the effect of the opening in the form of damage to the load is discussed. The stress concentration factor of carbon-carbon braided composite under different openings are obtained. For the opening hole with 5mm thick,carbon-carbon braided composite is not sensitive to hole.

composites;carbon-carbon;stress concentration;tensile fracture;notched strength

2014-05-16

黑龙江工程学院青年科学基金项目 (2013QJ07)

唐玉玲(1981-)，女，讲师，研究方向：复合材料.

TB332

A

1671-4679(2014)05-0027-04