18、复合材料分层阻力测试：原理、方法与挑战

复合材料分层阻力测试：原理、方法与挑战

1. 裂纹相关基础概念

在材料力学中，裂纹尖端张开位移（CTOD）或裂纹尖端张开角（CTOA）是重要的参数。J -积分可解释为围绕静止裂纹尖端路径的与路径无关的线积分，包含代表能量密度的项和考虑力的项。其与材料在裂纹尖端前方过程区内的断裂应力 σf 和裂纹尖端张开位移的关系为：
[J_C = \sigma_f \cdot CTOD = G_C]
这里体现了能量释放率 G 与 J -积分在纯弹性变形、线弹性断裂力学（LEFM）范围内的关系。

裂纹扩展模式主要分为三种：
- Mode I ：拉伸加载，裂纹面相对张开，裂纹扩展垂直于加载方向。
- Mode II ：剪切加载，裂纹面相对滑动，裂纹扩展平行于加载方向。
- Mode III ：剪切加载，裂纹面相对滑动，裂纹扩展垂直于加载方向。此外，还有混合模式，即单一模式的组合。

加载通常通过对预裂纹试样进行弯曲测试来实现，不同模式对应不同的试样类型：
| 加载模式 | 试样类型 |
| ---- | ---- |
| Mode I | 预裂纹双悬臂梁试样 |
| Mode II | 三点加载和单悬臂梁试样 |

整体裂纹长度 (a = a_0 + a_i)，其中 (a_0) 为预裂纹长度（包括起始裂纹和预裂长度），(a_i) 为扩展裂纹长度。

2. Mode I 双悬臂梁测试

自 20 世纪 60 年代起，就开始使用双悬臂梁（DCB）试