不完美界面聚合物基纤维复合材料的黏弹性行为

为预测具有不完美界面的聚合物基纤维增强复合材料在时域下的黏弹性响应,在细观力学均匀化模型的基础上,研究了基体黏弹性对复合材料宏/细观特性的影响。根据弹性-黏弹性对应原理建立了基于均匀化理论的复合材料黏弹性性能评估方法,即将边值问题和材料均匀化本构引入Laplace域中进行求解,然后将材料的宏/细观响应通过性能较稳定的Zakian方法转化到时域当中,从而避免对含有积分形式的黏弹性本构进行分步迭代。另外,与经典唯象理论以及数值方法不同,细观力学方法LEHT采用了Trefftz概念,即通过求解偏微分方程得到微元体内部位移和应力的解析表达。引入带有刚度的弹簧模型用于描述界面处的损伤情况,并与纤维/基体的解析表达的函数正交性结合,实现了界面的精确模拟。最后通过周期性变分原理对晶胞施加周期性边界条件,并建立宏观均匀化本构用于预测材料的宏观性能。结果表明：该方法不仅能实现材料长期性能的高效预测,同时还原了代表性晶胞内的局部应力重分布来解释宏观模量衰退的影响。     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

非均匀电弹性板横向自由振动的精确解

非均匀电弹性材料通过调整材料的组分可以使其力电特性按照优化设计进行分配,从而满足结构元件不同部位对材料特性的不同要求。由于材料参数的非均匀性,其相应结构的控制方程通常为变系数的偏微分方程,使得相应的力学分析具有很大的挑战性。本文假设电弹性材料参数沿厚度方向以同一指数形式变化,给出了非均匀电弹性矩形板的基本方程。应用分离变量方法给出了四边简支和四边固支非均匀电弹性板的横向自由振动的精确解,分析了非均匀电弹性板在不同边界条件下的不均匀系数与振动频率之间的变化规律。通过算例,验证了精确解的正确性。     

层状压电复合材料均匀化研究

基于细观力学、连续介质力学的平均场均匀化理论和相邻界面的连续性条件,对平面多层压电复合材料进行了均匀化处理,得到了该类材料的一般性描述及其有效模量的均匀化表达式.将经典弹性问题的均匀化理论推广到了压电耦合问题,并可应用于更加复杂的线性耦合问题的研究.     

颗粒增强脆性基复合材料的尺寸效应

在材料细观非均匀性的基础上研究了含粒径不同颗粒的脆性基复合材料的宏观力学性质和破坏过程的尺寸效应。采用材料破坏过程分析数值模拟软件，对多颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载作用下经变形、损伤直至破坏的全过程进行模拟研究。结果表明当脆性基体分别复合体积分数相同而大小不同的柔性颗粒时复合材料具有不同的破坏机制，颗粒的尺寸会显著影响材料的破坏及失稳方式，材料的宏观强度随颗粒粒径的增加而降低：但颗粒的尺寸对复合材料线弹性阶段的刚度却影响甚微。     

相邻钢筋非均匀锈蚀引发混凝土保护层开裂的细观数值模拟

对2根相邻钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层破坏行为进行了细观数值模拟研究;考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,以施加强制位移的方式模拟钢筋的非均匀锈胀作用,建立了混凝土保护层开裂分析的细观尺度数值模型,并进行了影响参数分析。结果表明：细观数值模拟结果与已有文献中的试验结果吻合良好;相邻钢筋非均匀锈蚀时会发生内部裂纹相互贯通先于和落后于外部开裂2种破坏模式;钢筋直径不是影响混凝土保护层破坏的主要参数;混凝土保护层厚度主要影响外部开裂的发展;钢筋间距则主要控制内部裂纹的相互贯通。     

岩石材料破裂过程中声发射信号的应力状态及能量演化研究

岩石受载破裂过程中能量不断积累和释放,而岩石材料非均质性等细观组构特征对其破裂产生的声发射具有显著影响.通过岩石力学试验建立不同非均质、非均匀岩石强度和能量参数的评价方法,分析了不同非均质性岩石的声发射特征与应力状态和能量水平之间的关系.研究表明：岩石在不同应力阶段有不同强度的成分发生破裂,不同应力水平所产生的声发射信号由不同成分的破裂所致;岩石破裂损伤后,剩余能量与总能量、能量降有关,声发射监测到的弹性波能量是能量降的一部分,此能量降与应力状态及材料特性有关;将粉砂岩细分为均质且均匀、不均质而均匀、不均质且不均匀三类,不同非均质、非均匀程度的岩石在不同应力状态下破裂及能量释放情况不同,其中均质且均匀的岩石强度和蓄能水平最高.建立的基于声发射的应力状态和能量水平判别理论可应用于工程中微震监测数据分析,为识别矿山开采过程中区域煤岩体临界状态与超前预警提供了理论基础.     

非均匀性对纤维增强复合材料力学性能的影响

研究了材料介质细观非均匀性对纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能的影响。结果表明，材料介质越均匀，复合材料的弹性模量就越接近理论值，其峰值强度也越大：同时，复合材料的非线性行为降低。破坏前的预兆现象减少，并得到相应的声发射结果。     

混凝土拉压强度尺寸效应的细观非均质机理

为了从材料细观非均质角度揭示混凝土强度尺寸效应机理,建立了混凝土细观单元等效非均质力学模型,开展了立方体抗拉、抗压强度尺寸效应细观数值模拟研究。研究结果表明：混凝土强度尺寸效应根源于材料细观非均质性,随着模型尺寸的增加,混凝土材料细观单元弹性模量变异系数增大,材料细观非均质性增强,大尺寸模型内部存在更多的低强度单元或缺陷,导致混凝土立方体抗拉、抗压强度降低,极限应变减小,脆性增大;混凝土损伤破坏由少量集中区域,发散扩展形成多条非贯通的裂纹带;数值模拟结果与尺寸效应实验数据相吻合。     

基于EBF神经网络的复合材料耐压壳性能研究

为了对水下航行器非均匀内部环肋复合材料耐压壳进行高效率结构性能设计,基于复合材料可设计性特点,应用复合材料细观力学刚度的材料力学理论与有限元分析方法对耐压壳结构进行力学仿真分析,结合EBF椭圆基神经网络近似模型技术以及拉丁超立方设计试验方法从细观层面对组分材料属性在非均匀环肋复合材料耐压壳性能中的影响进行研究。结果表明:纤维和基体的弹性模量对耐压壳结构材料力学性能影响最大,剪切模量对各力学性能影响都很小。在组分材料属性一定的情况下,随着纤维体积分数增加,Tsai-Wu失效指数和临界失稳压力有所提高,而相邻肋骨中点处壳板周向应力、肋骨处壳板轴向应力和肋骨应力随之降低。因此,在非均匀环肋复合材料耐压壳设计过程中应重点考虑较大弹性模量以及适当纤维体积分数的组分材料以达到结构性能最优化的目的。     

弹性地基多块板结构的材料参数反演分析

应用有限元压缩柔度矩阵,建立了具有接缝传荷能力多块板的位移计算方法．在此基础上,根据系统识别原理,应用修正牛顿法作为参数调整算法建立了具有接缝传荷能力的弹性地基多块板结构材料性能的反演分析方法．反算结果表明,在相当大的模量初始值范围内,该方法具有稳定的收敛性     

Prediction of the Overall Elastic Behavior of Composites by Homogenization Method

The objective of this study was to determine the overall thermal elastic behavior of composites by homogenization method. The results obtained were compared with those by other well-known methods such as mean field method , self-consistent method and etc. A good agreement is achieved and thus a reliable nwthod for predicting the effective behavior of composite is presented. It is very easy to extend this method to multi-phase composite. The materiol properties determined here include elastic modulus, Poisson ratio and thermal expansion coefficient （CTE）.     

强化材料梁剪切弯曲时剪应力分析

塑性理论对线性强化弹塑性材料在剪切弯曲时横截面上的剪应力分布，由于无法给出相应的屈服函数而不能获得解析解。文中利用一个简单直观的方法，解出了对称截面情况下的剪应力分布。结果说明，横力弯曲时，处于弹塑性阶段的线性强化材料制成的梁，剪应力在塑性区成线性分布，在弹性区成抛物线分布。所用方法和所得结果虽然是近似的，但其有满足工程要求的精度。     

弹性磨具材料的生成反应控制和生产工艺

基于弹性磨具材料生成过程的化学反应,分析讨论了控制反应过程的化学平衡问题,根据实验提出了弹性磨具材料配方试验的基本方法和生产工艺过程．     

基于CSY型传感器的悬臂力学试验确定材料弹性模量的方法

对在CSY型传感器综合实验仪上拓展悬臂梁力学实验进行了研究,研究了在该实验仪上实现材料弹性模量的测定.通过材料力学的理论推导出悬臂梁弹性模量与其受力和挠度比值的关系,通过应变式传感器的实验确定出悬臂梁受力与其挠度的比值关系,进一步可推导出悬臂梁材料的弹性模量,并验证了该方法的可行性及有效性.该方法集合了电阻应变效应、全桥差动电路等传感器电测技术以及材料弹性力学、悬臂梁结构力学的基础知识,具有综合应用性.同时,对高校实验室如何有效利用设备资源、开发拓展型实验有一定的示范作用.     

应用有限元法分析碳纤维复合飞轮强度

针对碳纤维/环氧复合材料具有的各向异性的特点,分别采用弹性力学的解析法和有限元法对集成化储能系统中的碳纤维复合转子进行了强度分析,给出了碳纤维复合转子强度计算的解析公式,对有限元法在该问题中的应用进行了详细说明。文中最后对比了二者在应用中的差异,并提出了采用密度小、弹性模量低的材料做轴或在轴与飞轮之间添加弹性层,可以提高飞轮转速,最大限度地利用碳纤维增强复合材料的优良性能这一优化设计思想。     

正交异性粘弹性材料Ⅰ型裂纹尖端场研究

研究正交异性粘弹性材料在对称载荷作用下,裂纹尖端的应力与位移分布。首先利用La—place积分变换法,将正交异性粘弹性问题转化为拉普拉斯空间的正交异性弹性问题进行求解;其次,在正交异性弹性材料板裂纹尖端解的基础上,利用准静态粘弹性-静态弹性对应原理,得到Laplace域内正交异性粘弹性裂纹尖端的解;最后采用F-Durbin数值方法将其作逆变换,求得正交异性粘弹性材料Ⅰ型裂纹尖端的数值解。通过在力作用开始时的粘弹性解与相同条件下的弹性解进行对比,表明采用F-Durbin数值反演方法可以得到更精确的解。     

非线性弹性材料压杆临界力的计算方法

压杆的稳定是一个经典的力学问题,而通常讨论的压杆大多都是假定为理想弹性材料,而非线性弹性压杆的临界力求解问题鲜有论文论述,从压杆稳定理论的完整性以及各种材料的真实应力应变曲线看,有必要对这类问题进行讨论。本文首先指出了非线性弹性材料轴心压杆求解临界荷载时存在的困难,利用压杆在受压下的普遍中性平衡方程式,讨论了临界荷载的一般求解方法。为简化一般求解方法,首先讨论了材料可能出现的各种非线性应力应变曲线,提出了非线性弹性压杆屈曲时截面上应力分布的简化处理原则,并分析指出按简化方法求解的临界荷载是实际临界荷载的上限值,最后提出了临界荷载求解的简化修正方法。     

金属－陶瓷梯度材料的弹性和弹塑性设计

系统研究了金属－陶瓷梯度材料在不同组成分布情况下的制备热应力分布规律和特征，提出了优化梯度材料组成和控制梯度材料破坏的方法，考虑了弹性和弹塑性二种设计方法，讨论了二种设计方法的特点和不同，结果表明，对于由韧性金属和陶瓷合成的梯度材料，弹塑性设计比弹性设计更为合理。