[论文解读] Effect of the Thickness on the Fracturing Behavior of Discontinuous Fiber Composite Structures

Seunghyun Ko, James Davey+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2019

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 26被引用 17

一句话总结

本研究通过几何缩放的单边 notched 拉伸（SENT）试样，实验和数值研究了厚度对不连续纤维复合材料（DFCs）中模式I层内断裂及尺寸效应的影响。通过将等效断裂力学与随机有限元建模相结合，发现断裂能随厚度增加至2 mm时上升，达到57.77 N/mm的饱和值——比铝的断裂能高出4.81倍；同时，随着厚度增加，尺寸效应减弱，大尺寸试样中表现出从伪延性向脆性行为的转变。

ABSTRACT

In this study, we investigate experimentally and numerically the mode I intra-laminar fracture and size effect of Discontinuous Fiber Composites (DFCs) as a function of the structure thicknesses. By testing geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens a notable structure size effect on the nominal strength of DFCs is identified. As the specimen size increases, the nominal strength decreases. For small specimens, we find a limited size effect with enhanced pseudo-ductility and a strong divergence from Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). For sufficiently large specimen sizes, the scaling of the nominal strength follows closely LEFM with a strong brittle failure. As the thickness increases, the size effect decreases. We identify the fracture energy and the effective size of the fracture process zone as a function of the thickness of the structure. To do so, we integrate equivalent fracture mechanics and stochastic finite element modeling. Experimentally, we collect the nominal strength of geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens. The numerical stochastic model captures the complex, inhomogeneous mesostructure of DFCs by explicitly generating the platelets. From the integrated analysis, it is found that the fracture energy depends significantly on the structure thickness. It is shown to increase gradually up to 2 mm and saturates after 3 mm to a value of 57.77 N/mm, which is 4.81 times larger than a typical aluminum alloy.

研究动机与目标

• 研究结构厚度如何影响不连续纤维复合材料（DFCs）中模式I层内断裂行为及尺寸效应。
• 利用实验与数值方法，量化断裂能 $G_f$ 和有效断裂过程区长度 $c_f$ 随厚度的变化关系。
• 确定随着试样尺寸和厚度增加，从伪延性向脆性断裂行为的转变过程。
• 开发并验证一种随机细观尺度有限元模型，以捕捉DFCs中不均匀的片状颗粒分布及厚度变化。

提出的方法

• 对四种不同厚度的几何缩放单边 notched 拉伸（SENT）试样进行实验测试，以测量名义强度和断裂响应。
• 采用随机有限元建模方法，显式生成1 mm × 1 mm网格分区内的片状颗粒，其取向和空间分布基于均匀概率随机生成。
• 采用厚度调节算法以保持总厚度均匀，必要时添加树脂层以匹配平均厚度，并将变异系数（CoV）控制在4–7%之间。
• 利用等效断裂力学方法，通过 $G = -\frac{1}{t} \left[ \frac{\partial \Pi}{\partial a} \right]_\delta$ 从势能 $\Pi$ 计算能量释放率 $G(\delta,a)$。
• 采用8节点S8R壳单元进行网格细化，裂纹增量尺寸 $\Delta\alpha \approx 0.008$，以精确计算 $g(\alpha)$ 和 $g_D(\alpha)$。
• 对 $g(\alpha)$ 进行线性回归，以在初始裂纹长度 $\alpha_0$ 处提取 $g_D$，从而实现 $G_f$ 和 $c_f$ 的估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加厚度如何影响DFCs在模式I加载下的名义强度和断裂行为？
• RQ2 DFCs中试样尺寸与名义强度之间的标度关系是什么？厚度如何调节这一尺寸效应？
• RQ3 断裂能 $G_f$ 如何随厚度变化？是否在某一厚度下趋于饱和？
• RQ4 断裂过程区长度 $c_f$ 如何随厚度变化？这一变化在从伪延性向脆性行为转变中起何作用？

主要发现

• 断裂能 $G_f$ 随厚度增加至2 mm而上升，并在厚度≥3 mm时趋于饱和，饱和值为57.77 N/mm。
• 57.77 N/mm的饱和断裂能比典型铝合金的断裂能高出4.81倍。
• 对于小尺寸试样，观察到有限的尺寸效应，表现出增强的伪延性，且与线弹性断裂力学（LEFM）存在显著偏差。
• 对于大尺寸试样，名义强度与LEFM预测值高度吻合，表明向脆性行为转变。
• 随着厚度增加，尺寸效应减弱，表明更厚的DFCs表现出更稳定、更延性的断裂特性。
• 有效断裂过程区长度 $c_f$ 被发现与厚度相关，较厚试样中值更高，有助于提升能量吸收能力。