纤维丝束带复合材料的有效性能预测与实验测试

依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元（RVE）模型几何结构尺寸,以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法,置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度,置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学（FECM）方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明:各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小,泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知,数值预测结果普遍比实验测试结果偏大,但总体效果较为理想,最大相对误差为6.04%。      

高温环境下纤维增强复合材料等效参数预测

为提高复合材料热结构动力学建模与动态特性分析效率,从复合材料等效性能物理意义出发,建立了弹性性能与热膨胀系数预测方法:在细观有限元模型基础上,分别施加周期性位移边界条件与温度边界条件,然后根据均匀化方法获得等效力学性能。以复合材料梁、板结构为对象开展仿真研究,通过等效前精细化模型和等效后均质模型热模态分析结果比较,验证预测方法的有效性。此外,研究了不同类型单胞、不同纤维排布方式对复合材料宏观弹性常数、热膨胀系数的影响,结果表明:不同纤维排布方式下,正方形排布纤维束预测结果比六边形排布纤维束预测精度高;同一纤维排布方式下,整个单胞的等效预测精度较缩减后的代表性体积单元(RVE)精度高。     

复合材料湿热弹性性能的变分渐近细观力学模型

基于变分渐近均匀化理论框架建立可预测复合材料有效湿热弹性性能和单胞内局部场分布的细观力学模型。从推导复合材料湿热弹性自由能泛函出发,利用细、宏观尺度比作为小参数对自由能泛函的主导变分项进行渐近分析,得到湿热弹性问题的系列细观力学模型和局部场分布的重构关系,并通过有限元数值方法实现。与ABAQUS有限元算例的对比表明:构建的细观力学模型可有效准确地预测复合材料有效湿热弹性属性和局部场分布。      

机织复合材料力学性能的细观分析与实验研究

建立了预测机织复合材料弹性性能和强度的方法并进行了相应的实验研究,系统地研究了织物几何和结构参数对机织复合材料性能的影响,提出了优化机织复合材料弹性性能细观结构参数的选择,完成了具有友好界面的机织复合材料弹性性能分析软件,实验研究了冲击后的拉伸与压缩性能及疲劳剩余强度和寿命,建立了基于有限元分析和失效准则预测冲击能门槛值的方法,给出了预估疲劳寿命的公式,且实验验证了分析方法的正确性。为复合材料技术能更快地转移到飞机结构设计与制造中去提供了一套较完整的基础性数据和理论分析方法及工具。      

玻纤增强注塑件的均匀化弹性力学参数研究

基于均匀化方法,根据长玻纤增强聚丙烯(LGFR-PP)的微观特征,建立了非连续长玻纤增强复合材料的代表性体积单元(RVE),通过有限元方法模拟预测了复合材料的宏观等效弹性力学参数,与注塑样条拉伸性能测试结果进行了比较。研究表明,通过在玻纤两侧增加聚丙烯(PP)分布,所采用的RVE较传统连续纤维的有限元模型更为合理;当玻纤成单一取向时,玻纤增强聚丙烯为一种横观各向同性材料;改变玻纤取向与拉伸方向之间的角度,拉伸方向的等效模量先微幅减小,再迅速降低,而后趋于稳定。利用均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性,能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据。     

纤维复合材料电磁屏蔽效能分层多尺度计算

为建立复合材料宏细观尺度之间电磁响应的关联性,将分层多尺度计算方法应用于纤维复合材料电磁屏蔽效能计算。为准确描述复合材料宏细观之间的联系,以电磁屏蔽效能为衡量标准,确定了复合材料细观结构的代表性体积单元(RVE)。根据电磁场媒质本构方程计算了RVE的等效电磁参数。采用分层多尺度方法计算复合材料宏观构件的电磁屏蔽效能。结果表明工作频率越高则复合材料的RVE越小;所设计的纤维复合材料结构在工作频率2～18GHz范围内具有38dB以上的电磁屏蔽效能,且电磁屏蔽效能随工作频率增加而下降。研究方法适用于求解细观结构相分散均匀或分布有规律的任意形状复合材料宏观构件电磁屏蔽效能。     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

三维机织C/C-SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了三维机织C/C-SiC复合材料的弹性性能, 基于复合材料的扫描电镜(SEM)照片, 分析了材料的细观结构的特点, 并提出了一系列的假设, 建立了三维机织C/C-SiC复合材料的细观力学模型, 利用均匀化方法预测了复合材料的弹性常数, 分析了材料的弹性性能随经纱倾斜角的变化规律。结果表明: 预测结果与试验结果吻合较好, 表明该预测模型和方法的正确性; 随着经纱倾斜角的增加, 经纱方向的弹性模量降低, 其它方向的弹性模量均增大, 但面内剪切模量和厚度方向的弹性模量增幅很小。      

三维角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计探讨

基于对三维角联锁结构复合材料真实细观结构的图像分析,建立了几何分析模型,在该模型中假设经纱的横截面呈矩形,纬纱的横截面呈凸透镜形,并运用刚度平均原理,推导出了以角联锁结构复合材料预制件的7个宏观设计参数和纤维、树脂的弹性性能指标为参数变量的弹性性能计算公式,在此基础上编制了能提供三种选择的计算机预测软件,即选择组织结构、力学模型和任意一个偏轴角,从而初步实现了角联锁结构复合材料弹性性能的细观设计.实验结果表明,依据本研究提出的几何分析模型并采用刚度平均理论预测的等效工程弹性常数与实际测得的值之间总体趋势相同,数据基本相符.     

智能复合材料宏细观力学性能的理论预测与数值分析

利用理论和数值方法研究了形状记忆合金增强复合材料的宏细观力学性; 能预测复合材料的宏观本构列式和弹性基体约束下的形状记忆合金的相变特性。建立了宏观性能参量与细观相变过程的联系。一维变形状态下的数值结果表明智能复合材料仍然具有形状记忆效应和拟弹性特性, 但受到组分材料的性能比、体分比和环境变量等参数的显著影响。      

A new analytical model on predicting the elastic properties of 3D full five-directional braided composites based on a multiunit cell model

A new analytical model based on a multiunit cell model is proposed to predict the elastic properties of 3D full five-directional braided composites (F5DBC). The stiffness-volume averaging method is applied to predict the elastic properties of unit cell models in meso-scale and specimens in global-scale by using the multi-scale modeling procedures. The contribution of all unit cells to the elastic properties of specimen is considered in the analytical model. The predicted elastic properties are in good agreement with the available experimental data, demonstrating the applicability of the model. Also, the effects of the braiding angle and the fiber volume fraction on the elastic properties are discussed in detail. The elastic constants of each unit cell are analyzed and the effect of the number of yarn carriers on the mechanical properties is also investigated. Results indicate that it is convenient to apply the present analytical model to predict the elastic properties of 3D F5DBC due to high computational efficiency.     

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化, 采用纤维束截面六边形假设, 建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件, 基于细观有限元方法, 对编织材料的弹性性能进行预测, 讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响, 并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明: 单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征, 实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立; 基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合; 模型给出了单胞合理的应力场分布, 为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。      

考虑界面影响的混凝土弹性模量的数值预测

提出了一种考虑界面过渡层影响的混凝土弹性模量的数值预测方法。将球形骨料与包裹它的界面过渡层作为二相复合球结构的等效颗粒,由广义自洽方法计算不同粒径骨料与界面过渡层组成复合球的有效模量。然后由等效颗粒生成的随机骨料模型建立体积表征单元,施加均匀位移边界条件,通过数值方法计算该体积表征单元中的应力和应变场,由细观力学数值均匀化方法预测体积表征单元的有效弹性模量。计算结果表明:对于不同骨料含量的混凝土,有效弹性模量的预测值与试验值非常接近,界面过渡层的厚度对混凝土的整体弹性性质有较大影响。     

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型, 该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征, 模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性, 确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式, 结合能量法和渐进失效分析方法, 利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好, 表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。      

A micromechanics based analysis of hollow fiber composites using DQEM

In this study, a generalized plane strain micromechanical model is presented to obtain micro-stress/strain fields within the unidirectional (UD) hollow fiber reinforced composites. In addition, the thermally induced residual stresses during cooling down process, overall elastic properties and energy absorption capability of hollow reinforced composite are studied. The representative volume element (RVE) of the composite consists of a quarter of the fiber surrounded by matrix to represent the real composite with repeating square array of fibers. Fully bonded fiber–matrix interface condition is considered and the displacement continuity and traction reciprocity are properly imposed to the interface. The cubic serendipity shape functions are used to convert the solution domain to a proper rectangular domain. A Least-squares based differential quadrature element method (DQEM) is used to obtain solutions for the governing partial differential equations of the problem. Results of the presented method for various stress and displacement components and thermal residual stresses show excellent agreement with finite element analysis. Furthermore, predicted overall properties also show good agreement with other available analytical and finite element results. Moreover, results also revealed that the presented model can provide highly accurate predictions with a few number of elements and grid points within each element.     

Predictions of elastic property on 2.5D C/SiC composites based on numerical modeling and semi-analytical method

In this paper, the predictions of elastic constants of 2.5D (three-dimension angle-interlock woven) continue carbon fiber reinforced silicon carbide (C/SiC) composites are studied by means of theoretical model and numerical simulation. A semi-analytical method expressing elastic constants in terms of microstructure geometrical parameters and constitute properties has been proposed. First, both the geometrical model of the 2.5D composite and the representative volume element (RVE) in both micro- and meso-scale are proposed. Second, the effective elastic properties of the RVE in 2.5D C/SiC composites are obtained using finite element method (FEM) simulation based on energy equivalent principle. Finally, the remedied spatial stiffness average (RSSA) method is proposed to obtain more accurate elastic constants using nine correction factor functions determined by FEM simulations, also the effects of geometrical variables on mechanical properties in 2.5D C/SiC composites are analyzed. These results will play an important role in designing advanced C/SiC composites.     

Effect of Yarn Distortion on the Mechanical Properties of Fiber-Bar Composites Reinforced by Three-Dimensional Weaving

A meso-structure model of fiber-bar composites reinforced by three-dimensional weaving (FBCR3DW) is proposed. Optical microscopy images of the preform structure revealed that the fibers along the circumference of the yarn cross-weave were twisted randomly due to alternating yarn winding on either side of the fiber bars during the manufacturing process. Sections of the cross-woven yarn were divided into five regions based on the twist characteristics. Stochastic function theory was used to describe the twist characteristics and to calculate the compliance tensor for each twisted yarn region. The twist characteristics and compliance tensor of each region were then introduced into a finite element model to calculate the elastic properties of the twisted yarn and FBCR3DW; unidirectional tensile stress–strain curves were generated based on the Tsai–Wu failure criterion. Several FBCR3DW specimens with randomly twisted yarns inside the weave structure were used in experimental tests. Our numerical results were in good agreement with the experimental values. Yarn distortion had a significant effect on the elastic properties and axial tensile strength of the yarn; specifically, the influence of yarn distortion on the transverse elastic modulus and transverse shear modulus of FBCR3DW was severe, whereas only a slight effect occurred with regard to the other elastic constants and unidirectional tensile properties. Thus, the proposed method provides an effective reference for modeling fiber composites with a weave structure.     

基于多尺度数值模型的复合材料各向异性热膨胀系数预测

依据复合材料内部纤维在基体内的排布规律及层合板铺层特性,基于多尺度方法,建立单层板和层合板代表性体积单元(RVE)模型,施加相应的边界条件,预测单层板的热膨胀系数和工程常数,进而预测复合材料层合板各向异性的等效热膨胀系数。通过与实验数据对比发现,基于正六边形单层板RVE模型预测的热膨胀系数,相比理论预测值,整体更接近实验值,其中预测的单向T300/5208碳纤维增强环氧树脂基复合材料、P75/934碳纤维增强环氧树脂基复合材料和C6000/Pi碳纤维增强环氧树脂基复合材料的横向热膨胀系数与实验结果的误差分别只有3%、1%和2%;采用单层板RVE预测的单向ECR/Derakane 510C玻璃纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的工程常数与实验值最大相差7.5%;层合板RVE模型预测的正交AS4/8552碳纤维增强环氧树脂基复合材料厚度方向的热膨胀系数与实验结果误差可以忽略,只有0.08%。最后以大型复合结构常用的正交铺层结构为研究对象,基于给出的单层板和层合板RVE模型预测了不同铺层复合材料烟道层合板的等效热膨胀系数,环向铺层比例对厚度方向的热膨胀系数影响较小。      

基于三维流场模型的含孔隙复合材料弹性常数有限元预测模型

为预测含孔隙复合材料单向层合板的有效弹性常数, 基于孔隙周边纤维分布和形态与三维Rankine椭圆体绕流流场的相似性, 提出了一种基于三维Rankine椭圆体绕流流场比拟的含孔隙复合材料弹性常数计算模型与方法。建立了含孔隙复合材料的有限元单胞计算模型, 用流场的速度变化比拟单胞内纤维体积分数的变化, 用流线形状比拟孔隙周边纤维的形态。通过对单胞施加周期性边界条件, 结合孔隙形态的概率分布模型和刚度平均法, 计算了含孔隙复合材料单向层合板的弹性常数。计算结果与实验数据有较好的一致性, 数值计算可以有效反映孔隙对复合材料单向层合板弹性常数的影响。