连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析

基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明：补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。     

界面损伤对颗粒增强复合材料弹性性能的影响

应用细观力学理论研究颗粒增强复合材料界面损伤问题, 分析颗粒界面局部开裂与均匀开裂同时存在时材料弹性性能的改变, 讨论损伤颗粒形状对材料有效弹性模量的影响。所有分析结果均以显式给出, 以便于研究者参考及工程应用。      

界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸性能的影响

建立了桥联纤维细观力学模型, 研究了界面对纤维增强陶瓷基复合材料拉伸模量及强度的影响。分别引入纤维应力均匀系数和界面脱粘率作为界面完全脱粘和局部脱粘条件下界面性能的表征参数。研究表明, 应力均匀系数及界面脱粘率越大, 材料模量越低, 而断裂时纤维所承担的应力越高。基于混合率给出了拉伸强度表达式, 同时也分析了基体裂纹分布、界面脱粘和纤维拔出对强度的影响。计算结果表明, 本文强度模型给出的预测值与试验值吻合较好。      

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

弹道防护用超高分子量聚乙烯纤维增强热塑性树脂基复合材料的拉伸力学行为

以弹道防护用超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维增强热塑性树脂基复合材料作为研究对象,通过热压工艺制备单向正交结构的复合材料层压板。基于自主设计的拉伸试验装置,开展UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在宏观尺度和准细观尺度上的面内拉伸试验,研究其面内拉伸力学性能及失效模式。研究结果显示：弹道防护用UHMWPE纤维增强热塑性树脂基复合材料在准细观尺度上的面内拉伸力学性能是其本征性能;随着偏轴角度的增加,拉伸断裂强度呈现指数型下降,这是由于失效模式由纤维的拉伸断裂破坏转变为纤维-树脂基体的界面破坏;此外,其在宏观尺度上的拉伸破坏强度比在准细观尺度上的拉伸断裂强度降低了50.52%,这是由于宏观尺度上的面内拉伸力学响应是其面内拉伸变形和层间分层破坏的耦合结果,即层压板的叠层效应。     

飞机复合材料结构修理设计渐进损伤研究

复合材料在现代飞机结构中所占比重越来越大。从现阶段大量的金属飞机结构繁重的维修任务可以看出,未来复合材料飞机结构维修任务的艰巨性。复合材料结构修理渐进损伤研究已经成为未来复合材料技术研究的重要方向。本文从复合材料层合板贴补修理分析与强度预测分析入手,讨论复合材料层合板挖补修理技术。     

有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

纤维增强铝基复合材料变形损伤过程声发射研究

采用声发射（ＡＥ）技术，通过测定ＡＥ事件数、幅度和持续时间等发射特征参数以及恒载 Ｆｅｌｉｅｉｔｙ效应，对ＳｉＣ／Ａｌ和Ｃ／Ａｌ两类束丝纤维增强铝昨合在拉伸变形过程中的损失失效特征进行了分析探讨。实验结果表明，纤维种类、界面状况对复合材料损伤过程有着显著的影响，声发射技术是表征这类复合材料损伤特征很有潜力的方法。     

Inelastic Behavior of Randomly Reinforced Polymeric Composites under Cyclic Loading

This study examines the development of damage in randomly reinforced polymeric composite materials. The material under consideration was made in a structural reaction injection molding process (SRIM) involving a continuous strand swirl mat of E-glass fibers and a urethane matrix. Theobjective of this work is to establish a predictive deformation model based on principles of viscoelasticity, damage mechanics and plasticity which maybe experimentally verified. Tests involving creep above a threshold stress level and recovery after load removal showed evidence of damage that was uniformly distributed throughout the coupon in the form of multitudes of matrix micro-cracks. Previous studies have shown that the material possesses a void content of about 5% and exhibits material property scatter of about 20%. The effects of damage could be assessed only when the scatter was separated by normalizing the data with individual coupon stiffness. Damage was measured through an increase in compliance and resulted in a permanent strain after load removel. The current study involves repeated loading. Compliance has been observed to increase with load cycle, while the permanent strain remains small and is neglected.Damage, as a function of load cycle, is incorporated into the non-linear viscoelastic model developed previously for creep/recovery response.Comparisons of the predictive model with experimental data are presented and show good agreement. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

短纤维增强金属基复合材料微屈服行为的计算机模拟

本文采用细观力学模型 ,根据Eshelby等效夹杂原理和双夹杂模型等 ,用计算机模拟的方法定量计算了短纤维增强金属基复合材料微屈服行为规律。计算结果表明在基体材料的微屈服规律符合Brown Lukens线性规律的情况下 ,金属基复合材料的σ - <εp>1 2 也近似符合Brown Lukens规律。同时计算了增强体短纤维的含量、形状、热残余应力和位错密度等多方面因素对复合材料微屈服规律的影响     

2.5D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过2.5D-C/SiC陶瓷基复合材料的面内拉伸试验, 研究了材料在拉伸载荷作用下的力学性能和损伤演化过程, 建立了2.5D-C/SiC复合材料的应力型和应变型拉伸损伤演化模型. 结果表明, 材料沿纵向和横向的拉伸应力－应变曲线相似, 损伤过程基本相同. 对应于拉伸应力应变曲线的三个特征切线模量, 面内拉伸的损伤演化过程可以分为三个阶段: 初始损伤阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段. 由应力型损伤演化模型可以推导出三个损伤阶段的两个特征应力, 其中第一特征应力可以作为工程比例极限的参考值.     

Al-Cu-Fe-Cr准晶增强铝基复合材料的研究

采用常规铸造法制备了四元系Al-Cu-Fe-Cr准晶,利用XRD、SEM和TEM等分析手段,分析了准晶和其类似相的微观组织以及在热处理后的相转变。以ZL101合金为基体,Al-Cu-Fe-Cr准晶颗粒为增强体,通过机械搅拌的方法制备了Al-Cu-FeCr准晶/ZL101复合材料,分析复合材料的微观组织和成分,并研究其力学性能。结果表明:铸态准晶合金组织中含有Al65Cu20-Fe10Cr5相(I+d)、准晶I相、λ-Al3Fe相以及少量的η-AlCu和θ-Al2Cu相,经880℃×30min热处理水淬后,λ相消失,得到了高纯度的Al65Cu20Fe10Cr5相和准晶I相;复合材料中由于准晶和基体之间的相互扩散,使得准晶相失稳发生分解;随着准晶含量的增加,复合材料的抗拉强度增加,延伸率减小,但由于Cr元素的加入使针状的β-Fe相转变成汉字状或骨骼状的α-Fe相,对复合材料的延伸率有提升作用。     

短碳纤维增强铝基复合材料孔隙率的研究

阐述了搅拌铸造制备短碳纤维增强铝基复合材料孔隙率的测定方法,分析了复合材料中形成孔隙的原因,试验从复合温度、搅拌桨形状、搅拌速度、保温时间和碳纤维加入量等条件入手,研究了影响搅拌铸造制备铝基复合材料孔隙率的关键因素.结果表明:复合温度控制在760℃、采用平面搅拌桨、搅拌速度为1200r/min、保温30min可有效降低复合材料的孔隙率,提高复合材料质量.     

Microstructure and Tensile Properties of Yttria Coated-Alumina Particulates Reinforced Aluminum Matrix Composites

The liquid-phase coating method was used to deposit Y2O3 ceramic on the surface of α-Al2O3. The coated-Al2O3p/6061AI composites were produced using squeeze casting technology. The microstructure and tensile properties of the composites were analysed and studied. The results showed that the coated AI2O3 particles are able to disperse homogeneously in the aluminum liquid. The microstructure of the composites is more even in comparison with that of as-received powders. The tensile testing indicated that mechanical properties of the coated-AI2O3p/6061AI composites are better than those of uncoated particles. In the composite with 30% volume fraction, the tensile strength, yield strength as well as elongation is increased by 29.8%, 38.4% and 10.3%, respectively. The SEM analysis of fracture indicated that the dimples of the coated-Al2O3p/6061Al composites are more even.     

木纤维增强不饱和聚酯复合材料的性能研究

采用丙烯酸(AA)对木纤维表面进行改性处理,并对改性后的木纤维进行悬浮性测试。将改性处理后的木纤维与不饱和聚酯树脂复合,制备了木纤维增强不饱和聚酯复合材料,对其进行了拉伸和冲击等力学性能测试。结果表明:木纤维含量对复合材料的力学性能影响很大。随着木纤维含量的增加,复合材料的延伸率和拉伸强度均有所提高;当木纤维含量为15%时,改性处理试剂的最佳浓度为0.15mol/L。此时,材料的延伸率和拉伸强度增加的幅度均趋于平稳,力学性能变化不明显。     

低速冲击下复合材料层合板损伤分析

根据低速冲击下复合材料层合板的分层损伤机理,发展了一种分层失效准则,该准则同时考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等因素对分层损伤的影响,并在损伤分析中,区分了冲击正面由挤压应力引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压、分层等五种损伤的起始和扩展过程,完善了作者以前发展了低速冲击逐渐累积损伤模型.通过与实验结果进行比较,验证了模型的合理性.     

Damage Constitutive Equations and its Application to Fiber Reinforced Composites under Transverse Impact

Two continuous field variables, called as continuity tensor and damage variable tensor, are used to describe the anisotropic responses of an elastic-brittle material under transverse impact load. Based on the continuum damage mechanics, anisotropic damage constitutive equations in both full and incremental forms are proposed here. The expressions of effective elastic module tensor, damage variable tensor and damage propagation force tensor are further derived, and the methods for determining the tensors are explained in detail. An example of strain and damage response of a fiber reinforced composite laminated plate under transverse impact load is employed to demonstrate the application of this theory. In the example, the damage variable coupled with geometric large deformation of laminated plate is also considered. The calculating results illustrate the influence of damage on strain field in the impacted laminated plate.     

颗粒增强金属基复合材料微屈服行为的细观力学计算

本文采用细观力学模型 ,计算了颗粒增强金属基复合材料的微屈服行为规律。计算模型是以有限元法、应力二阶矩的割线模量法、Eshelby等有效夹杂方法和双夹杂模型等为基础。计算结果表明在基体材料的微屈服规律符合Brown Lukens线性规律的情况下 ,颗粒增强金属基复合材料的σ 〈εp〉1 2 关系也近似呈线性符合Brown Lukens规律。同时计算了增强体颗粒的含量、热残余应力和位错密度等多方面因素对复合材料微屈服规律的影响。