[论文解读] Elastic and Fracture Behavior of Three-Dimensional Ply-to-Ply Angle Interlock Woven Composites: Through-Thickness, Size Effect, and Multiaxial Tests

Weixin Li, Yao Qiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 134被引用 18

一句话总结

本研究通过新型面外断裂试验、SENT试样尺寸效应分析以及结合X射线显微CT的多轴Arcan夹具试验，研究了3D层铺-交锁角编织复合材料的弹性与断裂行为。首次基于Bažant的II型尺寸效应定律（SEL）客观表征了层内断裂能，揭示了显著的尺寸效应及试样尺寸范围内的过渡区行为，表现出优异的损伤容限性。

ABSTRACT

This work presents a comprehensive investigation of the elastic and fracture behavior of ply-to-ply angle interlock three-dimensional woven composites. The research investigated novel splitting and wedge-driven out-of-plane fracture tests to shed light on the tensile fracture behavior in the thickness direction and to provide estimates of the out-of-plane tensile strength and fracture energy. In addition, size effect tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens were performed to fully characterize the intra-laminar fracture energy of the material and to study the scaling of structural strength in this type of three-dimensional composites. The results confirmed that size effect in the structural strength of these materials is significant. In fact, even if the range of sizes investigated was broader than in any previous size effect study on traditional laminated composites and two-dimensional textile composites, all the experimental data fell in the transition zone between quasi-ductile and brittle behavior. This implies strong damage tolerance of the investigated three-dimensional composites. The analysis of the data via Bazant's Type II Size Effect Law (SEL) enabled the objective characterization of the intra-laminar fracture energy of three-dimensional composites for the first time. Finally, Arcan rig tests combined with X-ray micro-computed tomography allowed unprecedented insights on the different damage mechanisms under multi-axial nominal loading conditions, particularly tension-dominated and shear-dominated conditions.

研究动机与目标

• 通过新型劈裂与楔形驱动面外断裂试验，表征3D层铺-交锁角编织复合材料的面外拉伸强度与断裂能。
• 通过几何缩放的单边 notched 拉伸（SENT）试样，研究3D编织复合材料中结构强度的尺寸效应。
• 首次应用Bažant的II型尺寸效应定律（SEL），客观量化3D复合材料的本征断裂能。
• 结合X射线显微计算机断层扫描，利用Arcan夹具试验研究多轴加载下（拉伸主导与剪切主导）的损伤机制。
• 理解3D编织复合材料在广泛试样尺寸范围内的尺度行为与损伤容限性。

提出的方法

• 开展新型劈裂与楔形驱动面外断裂试验，测量面外拉伸强度与断裂能。
• 对几何缩放的单边notch拉伸（SENT）试样进行试验，研究多种试样尺寸下结构强度的尺寸效应。
• 应用Bažant的II型尺寸效应定律（SEL），基于关系式 $ \sigma_{Nu} = \sqrt{\frac{E^* G_f}{D g(\alpha_0) + c_f g'(\alpha_0)}} $，从实验数据中提取本征断裂能 $ G_f $。
• 采用等效弹性裂纹概念，将名义强度与断裂能关联，区分表观断裂韧性 $ K_{IcA} $ 与表观断裂能 $ G_{fA} $ 与材料本征性能的关系。
• 采用Arcan夹具试验结合X射线显微计算机断层扫描，可视化并分析多轴加载条件下的损伤机制。
• 通过有限元方法与四分之一节点单元技术，数值计算无量纲函数 $ g(\alpha) $ 与 $ g'(\alpha) $，以精确估算应力强度因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 3D层铺-交锁角编织复合材料的面外拉伸强度与断裂能是多少？其与面内性能相比有何差异？
• RQ2 试样尺寸如何影响3D编织复合材料的结构强度？尺寸效应是否遵循可预测的尺度规律？
• RQ3 Bažant的II型尺寸效应定律能否成功应用于3D编织复合材料，以提取本征断裂能 $ G_f $？
• RQ4 在多轴加载（拉伸主导与剪切主导）下，主导的损伤机制是什么？其随载荷的演化过程如何？
• RQ5 在广泛试样尺寸范围内，3D编织复合材料中准延性与脆性行为之间的转变如何表现？

主要发现

• 通过新型劈裂与楔形驱动断裂试验，直接测得3D编织复合材料在厚度方向的面外拉伸强度与断裂能，提供了该方向断裂性能的直接估计。
• 所有来自几何缩放SENT试样的实验数据均落在准延性与脆性行为之间的过渡区，表明材料具有优异的损伤容限性。
• 结构强度的尺寸效应显著，且被Bažant的II型尺寸效应定律良好描述，实现了3D编织复合材料本征层内断裂能 $ G_f $ 的首次客观表征。
• 表观断裂能 $ G_{fA} $ 随试样尺寸减小而降低，证实了该类材料断裂响应具有显著的尺寸依赖性。
• Arcan夹具试验结合X射线显微CT揭示了拉伸主导与剪切主导加载下不同的损伤机制，包括基体开裂、纤维-基体界面脱粘以及纤维束重排。
• 分析表明，对于大尺寸试样，有效断裂能 $ G_f $ 趋近于恒定值，证实当 $ D \to \infty $ 时，$ G_f $ 为与试样尺寸无关的材料本征属性。