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科技前沿

复合材料英文经典著作(十二)《纤维增强复合材料层合板失效分析-Alfred PUCK理论》
来源:WHUT复材结构课题组  2016-11-01 10:45:00
本文阅读次数:840

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3914

  编著:(德)Martin Knops
       出版社:Springer

   

序言

  1948年,当我在汉堡工学院开始学习机械工程时,一般认为复合材料构件设计不是一门科学,而是一门艺术。但从那以后,人们的观点发生了显著的变化。毫无疑问,复合材料构件的设计不仅需要大量的实践和某些特定的技能,同时还需要深刻的理解基础理论。然而有一些人认为理论离实际过于遥远。就我个人而言,我比较认同一些伟大科学家的观点,例如著名的化学家A.L.Lavoisier(1743-1794)和德国著名的空气动力学家, L.Prandtl教授(1875-1953);L.Prandtl教授曾经说过“没有什么比一个好的理论更为实用。”,这句话可能来自更早之前Lavoisier说的“没有什么比一个好的假设更为实用”的修改。
FRP层合板是一种非常复杂巧妙设计的具有各向异性的多层结构。分析FRP层合板的破坏过程需要某种理论,这个理论需正确的描述层合板不同的断裂机制。我认为Otto Mohr(1835-1918)提出的“材料的断裂强度由发生断裂面上的应力决定”是一个很好的“假说”。常有人提议将这个假说应用到脆性复合材料。Hashin[Hashin1980]是这一理论的最强有力支持者,但至今为止还没有应用到实际。也就是说一些计算分析能推断确定断裂面的方向,但不能保证是否正确。
首先需要通过实验验证以确定修订后的Mohr假设是否适用于单向复合材料。在我创建理论方法的同时,得到了来自亚琛技术大学博士生在实验方面给予我的大力支持。我经常会和这些年轻的同事们阐述我的观点,许多理论缺乏可靠的实验结果作支撑。令人遗憾的是,如今实验工作并没有得到应有的重视。幸运的是,亚琛的年轻同事们在我的建议下,选择实验课题作为他们的博士论文选题,通过实验对我的理论进行验证。我非常感激他们对我的帮助,在这里列举他们的名字:Dirk Huybrechts(1996),Jochen Kopp(2000),Martin Knops (2003),(这本书的作者)、Oliver Fischer(2003),Martin Mannigel(2007)和Erik Kuhnel(2008)。
Alfred PUCK理论已经应用于实际工程中,被编入VDI2014规范(VereinDeutscherIngenieure,德国工程师协会),德国船级社GL规范和挪威(Det Norske Veritas)船级社规范也采用了我的理论。VDI2014的第三部分“纤维增强塑料结构分析的发展”对于这本书的读者来说,是一有益的补充,该部分完整的由德语和英语撰写。VDI2014之所以采纳我的理论,并用于指导实践,其原因是我和Günther Lutz先生富有成效的合作,Günther Lutz先生在复合材料连轴器和大型快艇复合材料传动轴设计与开发方面具有丰富的经验。
未来,复合材料技术将在节能型汽车的研发以及环境、气候保护领域发挥重要的作用。本书的作者就从事这一领域的工作,他致力于大型风电叶片的开发。如今,设计工程师在使用复合材料进行设计时,尤其是为满足某种特定需求而指定材料体系时已有很大的自由度,使设计成为一件很有意义的工作。但这种自由不应阻碍我们研究产品使用极限。许多现代武器系统已经使用复合材料,比如洲际弹道导弹。开发更多的武器或使武器效率更高不是我们的目标。我们面临的问题永远是:“在人人都拥有这些武器前如何消除它们”。
希望Martin Knops博士的这本书能够满足有兴趣及专业读者的需求。希望读者阅读后能够产生愉快的体验。就我个人而言,我希望在相当长的时间里仍然与年轻的复合材料工程师为伍并与他们共同学习。很久以前我已经明白:现代复合材料如同一个黑箱,难以看透,但它们不是“魔术”。如果我们深入的思考它们的内在结构,是可以理解它们的。然而,仅有思考还不够,巧妙的实验同等重要。

Alfred Puck
2008年1月于Immenhausen


  前言

2003年,我在Alfred Puck的鼓励下撰写了这本由他提出的失效模式和Puck失效准则的专著。促使我编写这本书的原因是Puck在1996年撰写过一本德文版的失效模式专著,那本书没有覆盖这一领域的主要进展特别是验证理论有效性的进展。同时,由于Puck的工作没有全面的英文介绍,一些人要求我将这些内容用英文撰写成书。
当时,我的博士论文已经完成定稿,内容是研究渐进失效破坏过程,Puck作为我的导师我与他一起工作。他认为我是这领域最好的专家之一,是撰写这本书的合适人选。这对我而言是一份崇高的荣誉,随后在IKV(Institute for Plastic Processing,塑料加工研究所)领导人Walter Michaeli and Ernst Schmachtenberg的资助与鼓励下,我同意开始这一工作。
本书原计划于2004年出版,但对这类项目,之前的想法都过于乐观。2005年初,我从高校来到企业,同时组建了家庭,就难以找到足够的时间完成这一项目。我非常感谢Springer出版社的Petra Jantzen对我的督促,他总是彬彬有礼给我适当的压力,确定成稿的最后期限,推动我的工作进展。当然延长项目时间可以包括近年来这一领域取得的最新研究进展,提高项目的价值,我希望能够更进一步的阐述PUCK准则失效模式的应用。书中还有不尽人意之处,是时候出版本书了。
我要感谢那些为出版本书做出贡献的人们。首先我要感谢Alfred Puck,感谢他对我多年的指导,他还帮助校订了本书。Günther Lutz是VDI2014中FRP部件开发作者之一,本书文字的主要修订者,对他的感谢不限于修订书中的文字,我的工作从VDI2014中的获益良多。
我还要感谢在IKV工作期间,Walter Michaeli和Ernst Schmachtenberg鼓励我去编写这本书。除此之外,我非常感激Springer出版社的Dieter Merkle和Petra Jantzen对这本书做出的贡献。最后我要感谢我的妻子Claudia,感谢她对我的理解和耐心。同时我将把这本书送给我亲爱的孩子Paula Liane和Peter Elias。

Martin Knops
2008年1月与Rendsburg

Contents
1 Introduction
2 Failure of laminates
2.1 Laminate structure
2.2 Micro-cracks
2.3 Inter Fiber Fracture (IFF)
2.3.1 Different forms of Inter Fiber Fracture (IFF)
2.3.2 Relevance of IFF
2.4 Delamination
2.5 Fiber Fracture (FF)
2.6 Laminate Failure
2.7 Summary of chapter
3 Stress and strength analysis: Basics and definitions
3.1 Coordinate systems, stresses and stressing
3.1.1 Natural coordinate system of the UD-lamina
3.1.2 Coordinate system of the laminate
3.1.3 Stresses of the UD-lamina
3.1.4 Stressings of a UD-element
3.1.5 Stresses on the fracture plane,adapted coordinate system
3.1.6 Coordinate system for the visualization of fracturebodies
3.2 Stress analysis
3.3 Strength analysis
3.3.1 Introduction
3.3.2 Fracture condition, fracture criterion and the term “stress exposure”
3.3.3 Distinguishing residual and load determined stresses
3.3.4 Margin of safety and reserve factor of the Composite materials structure
3.4 Summary of chapter
4 Puck’s action plane fracture criteria
4.1 Fiber fracture criteria
4.2 Inter fiber fracture (IFF) criteriaX Contents
4.2.1 Motivation
4.2.2 Different IFF-fracture modes
4.2.3 Fracture hypotheses
4.2.4 Fracture resistance of the action plane
4.2.5 Visualization of the stress/strength problem
4.2.6 Universal 3-D-formulation of the action plane related IFF-criteria4.2.7 Analytical 2-D-formulation for plane states of stress
4.3 Extensions to the IFF-criteria
4.3.1 Inclusion of stresses not acting on the fracture plane in the action-plane-related inter-fiber fracture criteria
4.3.2 Calculation of the stretch factor LS f of the loaddetermined stresses when residual stresses are present
4.4 Visualization of fracture bodies
4.5 Summary of chapter
5 Analysis of the gradual failure process
5.1 Approaches for the modeling of the gradual failure process
5.2 Puck’s approach for the analysis of the gradual failure process
5.2.1 Degradation procedure for cracks due to IFFMode A
5.2.2 Degradation procedure for cracks due to IFFMode B and IFFMode C
5.2.3 Puck’s method from 1969
5.2.4 Degradation method used in the “World Wide Failure Exercise”
5.2.5 New degradation method (2007)
5.2.6 Laminates with unsound loading conditions
5.3 Implementation of the Puck theory for the gradual failure process in a software code
5.4 Summary of chapter
6 Experimental work
6.1 Verification of the fracture hypotheses and calibration of the fracture body
6.1.1 Experiments with Three Dimensional Stress States .
6.1.2 Experiments with plane (2, 21)-stress combinations
6.2 Experimental determination of degradation curves
6.2.1 Degradation of E⊥t and G⊥|| for fracture Mode A
6.2.2 Degradation of E⊥and G⊥|| for fracture Mode B Contents XI
6.2.3 Degradation of ⊥|| and ||⊥
6.2.4 Validation of degradation curves
6.3 Summary of chapter
7 Implementation in software
8 Application of Puck’s work in industrial practice
9 Concluding remarks
Annex
References

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3914