摘要: 热塑性复合材料AS4/PEEK层合板在航空、航天和民用先进产品等领域应用广泛。与热固性复合材料不同，热塑性PEEK基体韧性明显增加，使AS4/PEEK层合板塑性变形非常显著，在复杂应力状态下的力学和损伤行为更加复杂。精确分析AS4/PEEK非弹性变形和亚临界... 展开 热塑性复合材料AS4/PEEK层合板在航空、航天和民用先进产品等领域应用广泛。与热固性复合材料不同，热塑性PEEK基体韧性明显增加，使AS4/PEEK层合板塑性变形非常显著，在复杂应力状态下的力学和损伤行为更加复杂。精确分析AS4/PEEK非弹性变形和亚临界损伤是这类材料设计和应用的基础。 本文运用细观力学含微结构代表性单元方法，采用有限元子模型方法，建立了热塑性AS4/PEEK复合材料层合板的宏细观弹塑性有限元模型，在受宏观拉伸载荷下，用母模型在宏观尺度上分析了层合板的层间应力；特别是，在细观的纤维尺度上，建立了含纤维和基体两相的代表性单元的细观弹塑性有限元子模型，假设纤维是弹性体，并考虑纤维的实际尺寸(7μm)和体积含量63％，热塑性基体PEEK为弹塑性体，其计算所用的应力应变曲线是材料生产厂家实测的曲线。首先，用含纤维和基体两相的代表性单元的细观有限元模型，计算了材料在拉伸、压缩、剪切时的等效应力应变曲线，并与AS4/PEEK单层板的实验曲线进行了比较，表明该代表性单元宏观力学行为与实际是等效的。其次，代表性单元子模型的边界条件，由宏观各向异性弹性母模型计算的位移场插值给出，这比目前国外学者所用的细观周期性边界条件更接近材料的实际受力状态。另外，采用多重子模型方法，提高在宏、细观模型间位移插值精度，保证子模型的计算精度。在上述方法和计算的基础上，用弹塑性细观子模型，在纤维尺度上，得到了AS4/PEEK复合材料不同铺层层合板[0/90]2s、[0/±45/90]2s和[±25]s4等受拉伸载荷时，层间附近纤维与基体界面的弹塑性应力应变场，进而在细观尺度上考虑PEEK基体塑性和纤维基体界面强度，对层合板的层间应力、纤维与基体界面脱粘、基体裂纹和分层等层合板亚临界损伤行为的影响；并对AS4/PEEK层合板受力时由实验得到的诸多细观损伤现象进行了较好的分析，例如，[0/±45/90]2s层合板基体裂纹和分层裂纹都萌生于纤维基体脱粘处的界面裂纹，斜交[±25]s4层合板的分层破坏起源于层间附近纤维头裂纹。因此，本方法对这类热塑性层合板的优化设计，特别是对纤维基体界面的设计具有重要的参考价值和指导意义。本文采用多重子模型方法研究了不同基体裂纹扩展尺寸对多层AS4/PEEK层合板层间应力的影响。 收起