[论文解读] Fracturing Behavior and Size Effect of Discontinuous Fiber Composite Structures with Different Platelet Sizes

Seunghyun Ko, Jinkyu Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Numerical methods in engineering参考文献 15被引用 5

一句话总结

本研究通过几何缩放的单边 notched 拉伸（SENT）试样，研究了不同片状尺寸的短纤维复合材料（DFCs）在模式I层内断裂及尺寸效应。通过结合等效断裂力学与显式表征片状物的随机有限元建模，作者表征了断裂能和断裂过程区长度，揭示了断裂能随片状尺寸线性增加，且名义强度存在显著尺寸效应，大尺寸试样因断裂过程区相对于结构尺寸可忽略而不易发生塑性变形，表现为更脆性破坏。

ABSTRACT

This study investigates the mode I intra-laminar fracture and size effect in Discontinuous Fiber Composites (DFCs). Towards this goal, the results of fracture tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens are presented and critically discussed for three platelet sizes. The results clearly show a decrease in nominal strength as the specimen size increases. This effect becomes more important as the structure size increases. It is found that, when the specimen is sufficiently large, the structural strength scales according to Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) and the failure occurs in a very brittle way. In contrast, small specimens exhibit a more pronounced pseudo-ductility with a limited scaling effect and a significant deviation from LEFM. To characterize the fracture energy and the effective length of the fracture process zone, an approach combining equivalent fracture mechanics and stochastic finite element modeling is proposed. The model accounts for the complex random mesostructure of the material by modeling the platelets explicitly. Thanks to this theoretical framework, the mode I fracture energy of DFCs is estimated for the first time and it is shown to depend significantly on the platelet size. In particular, the fracture energy is shown to increase linearly with the platelet size in the range investigated in this work.

研究动机与目标

• 研究不同片状尺寸的短纤维复合材料（DFCs）在模式I层内断裂行为及尺寸效应。
• 量化名义强度随试样尺寸的尺度关系，并识别从伪延性到脆性断裂的转变。
• 建立理论框架，以捕捉随机细观结构和片状尺寸对断裂能及断裂过程区（FPZ）长度的影响。
• 估算 DFCs 的模式I断裂能（Gf）和有效FPZ长度（cf），并评估其对片状尺寸的依赖性。
• 评估尺寸效应和伪延性对 DFC 零部件结构设计与认证的影响。

提出的方法

• 对三种不同片状尺寸（75×12 mm、50×8 mm 和 25×4 mm）的 DFC 试样进行几何缩放的单边 notched 拉伸（SENT）断裂试验。
• 应用等效断裂力学，将宏观结构响应与材料层面的断裂特性相关联。
• 采用显式表征片状物随机空间分布与取向的随机有限元建模方法，模拟断裂过程。
• 通过实验数据标定模型，以估算断裂能（Gf）和有效断裂过程区长度（cf）。
• 分析名义强度的尺寸效应，以评估试样尺寸增大时从伪延性向脆性行为的转变。
• 验证模型捕捉非线性、非均匀应力场及能量耗散机制（如基体微裂纹、分层和片状物脱粘）的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 DFCs 的名义强度如何随试样尺寸变化？从伪延性向脆性行为的转变特征是什么？
• RQ2 片状尺寸如何影响模式I断裂能（Gf）和有效断裂过程区长度（cf）？
• RQ3 DFCs 的随机细观结构在多大程度上影响断裂响应及线弹性断裂力学（LEFM）的有效性？
• RQ4 与传统单向复合材料相比，DFCs 在缺口不敏感性和伪延性方面有何差异？
• RQ5 结合等效断裂力学与随机有限元建模的方法能否准确预测 DFCs 的尺寸效应和断裂特性？

主要发现

• DFCs 的名义强度随试样尺寸增大而降低，且随着结构尺寸增加，尺寸效应愈发显著。
• 断裂能（Gf）随片状尺寸线性增加，对应片状尺寸为 75×12 mm、50×8 mm 和 25×4 mm 时，Gf 值分别为 65.47 N/mm、55.05 N/mm 和 33.66 N/mm。
• 三种片状尺寸对应的有效断裂过程区长度（cf）分别为 13.21 mm、6.41 mm 和 6.54 mm，表明其与片状尺寸密切相关。
• 小尺寸试样因存在显著的、与材料长度尺度相当的 FPZ 而表现出明显的伪延性；而大尺寸试样则表现为脆性破坏，与 LEFM 假设一致。
• DFCs 的断裂能比典型 Al5083 高 2.8 至 5.5 倍，凸显其在吸能应用中的潜力。
• 与单向复合材料相比，DFCs 展现出更高的伪延性和显著降低的缺口与缺陷敏感性，但该优势需通过承认其准脆性特性的认证指南来保障。