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。      

孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料等效弹性性能的影响

弹性常数是工程材料结构设计的重要参数。为了研究孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料弹性性能的影响,考虑了纤维增强相、基体相和界面相的孔隙缺陷,建立了孔隙缺陷随机分布的纤维丝尺度和纤维束尺度的双尺度单胞模型,采用均匀化方法预报了含孔隙缺陷的三维编织C/C复合材料等效弹性常数,预报结果与实验结果吻合良好。在此基础上研究了孔隙率的影响,结果表明:(1)孔隙率对材料弹性常数有着显著影响,当孔隙率为10%时,材料轴向和径向拉伸模量分别减小11.17%和12.30%,面内和面外剪切模量分别减小11.28%和29.74%,面外泊松比减小29.32%,而面内泊松比增大0.26%;(2)基体相孔隙率对材料弹性常数的影响总体上呈线性,纤维增强相、界面相孔隙率的影响呈非线性,且组分相孔隙率的影响大小为:纤维增强相>基体相>界面相。本研究结果可为此类材料结构精细化设计和工艺优化提供参考。     

纤维增强复合材料动态性能参数的识别方法

构造了一种纤维增强复合材料等效动态性能本构模型。根据经典层板理论分别推导出了显含弹性常数和显含阻尼系数的纤维增强复合材料层板的刚度矩阵和等效阻尼矩阵。利用模态试验方法, 得出了弹性常数、等效阻尼系数与层板振动模态之间的显式关系。通过识别本构方程中的等效阻尼系数, 可以方便地推导出任意铺层数和任意铺层角度下层板的等效阻尼矩阵。算例分析表明, 利用此方法识别出的弹性常数和等效阻尼能够满足工程精度要求。      

二维平纹机织复合材料弹性性能预测的域分解方法

为了预测二维平纹机织复合材料的弹性性能, 提出了基于有限元重合网格法的域分解方法。域分解方法与传统代表体元法的有限元建模不同, 前者不再建立精细的纤维与基体模型, 而是分别建立二维平纹机织复合材料单胞的整体域与纤维域, 整体域是真实基体体积与纤维体积的叠加, 两区域网格独立剖分, 互不影响。采用MSC. Nastran中的多节点约束在纤维节点与基体节点之间建立位移协调来模拟纤维和基体单元的位移函数关系, 实现了纤维域和基体域的耦合计算。研究表明, 域分解方法大大简化了机织复合材料细观力学建模的复杂性, 降低了建模时间, 采用域分解方法预测的二维平纹机织复合材料弹性常数与试验值吻合较好, 充分说明了该预测模型与方法的正确性。研究了不同纤维体积分数下, 域分解方法预测二维平纹机织复合材料的弹性常数的变化趋势, 结果表明, 随纤维体积分数增加, 模量呈上升趋势, 泊松比呈降低趋势。     

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。      

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

三维四向编织复合材料的几何建模及刚度预报

提出了四步法三维四向矩形编织复合材料的单胞几何模型, 该模型考虑了空间纤维束的相互扭结和挤压而造成的纤维束弯曲和截面形状变化。基于刚度体积平均思想, 采用微元段直纤维的单向层板刚度分析方法建立了相应的刚度预报模型, 得到了材料的工程弹性常数, 数值结果表明了该模型的有效性;分析了工艺参数和纤维束横截面形状对弹性常数的影响规律, 得到了一些有益结论。     

平面编织复合材料层板弹性性能的预测

本文在平面编织纤维增强树脂复合材料的单方向直波纹模型的基础上,分别采用经典层合板理论和有限元应变能等效方法,预测了平面编织复合材料层合板迭层对其弹性性能的影响。根据经典层合板理论,由对平面织物复合材料的单向直纹模型的上、下表面施加不同的约束条件,得出层板弹性常数变化范围。用有限元能量法,则预测出不同铺层数的编织复合材料层板的弹性性能。与实验结果比较,表明纵向模量的预测是可靠的。     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

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。     

纤维增强复合材料黏弹性行为的预测模型

根据标准线性固体模型构造了一种预测纤维增强复合材料黏弹性行为的模型, 推导出该模型的本构方程与松弛模量和蠕变柔量表达式, 该模型经有限元仿真验证具有较高的精度。利用该模型研究了纤维几何特性对蠕变柔量和松弛模量的影响。结果表明, 复合材料蠕变柔量与纤维比长度呈线性关系, 而当纤维比半径增大到临界值后, 其变化对材料的松弛模量和蠕变柔量影响减小, 该临界值随纤维弹性模量的增大而减小; 当纤维模量与基体模量相差较大时, 复合材料的增强系数和减柔系数几乎不受时间变化的影响。      

Elastic response of multi-directional coated-fiber composites

In this work a model is developed to approximate the elastic response of a composite body reinforced by coated fibers oriented in various directions. The fundamental representative volume element is a three-phase concentric circular cylinder under prescribed displacement components. The microstress distribution inside the fiber, the coating, and the matrix has been determined under a uniform three-dimensional mechanical and/or hygrothermal loading. A parametric study has also been conducted to illustrate how a coating applied to the fiber influences the effective thermoelastic properties and can alter the state of stress at the fiber-matrix interface and thereby modify or control an observed mode of failure.     

注塑成型纤维增强热塑性树脂复合材料刚度预测方法

基于Hsueh模型的应力场分布,采用代表性体积单元(RVE)平均近似方法,推导出可以退化成Halpin-Tsai模型的泊松比ν₁₂的显性表达式,与桥联模型基本重合。结合Fu模型和Giner模型,引入与纤维长径比(l/a)相关的指数衰减函数得到横向模量E₂₂修正的Halpin-Tsai模型,与自洽模型重合。基于泊松比各向同性假设而推导出的泊松比ν₂₃与有限元结果逼近,远优于Halpin-Tsai模型;基于逆向工程,修正了被Halpin-Tsai模型低估的剪切模量G₂₃。基于经典的层合板分析方法(LAA),引入纤维长度分布(FLD)及纤维取向广义分布函数,对两种注塑成型短玻璃纤维增强热塑性树脂(FRT)复合材料的弹性常数进行预测。结果表明:4个微观力学组合模型均很好地预测了复合材料的弹性常数,但纤维长度质量分布的预测结果比纤维长度数量分布的结果更为合理,特别是对于纵向杨氏模量E_L的改进效果大于5%。      

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。      

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

The influence of the elastic properties and dimensions of coatings on the stiffnes of encapsulated fiber composites

The effect of coating around fibers embedded in an isotropic matrix on the stiffness of the composite, due to the variation of the coating thickness and rigidity, is examined in this paper. The model of the representative volume element (RVE) of the composite consisted of a cylindrical fiber coated by an annular layer, the encapsulated fiber being embedded in a matrix annulus enveloped by an infinite region of an equivalent composite, which constitutes the rest of the composite. This model constitutes an extension of the Christensen and Kerner models. By varying the rigidity and the thickness of the encapsulation, the longitudinal, transverse and shear elastic moduli of the composite were determined. Interesting results concerning the composite stiffness were established by selecting types of composite having different rigidities for the constituent phases. Furthermore, specific examples of encapsulated fiber composites usually encountered in applications were considered where the properties of the composite are changed by the sizing effect due to encapsulations.     

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%。      

Characterization of the in-situ non-linear shear response of laminated fiber-reinforced composites

A simple procedure to determine the non-linear in-plane lamina shear response of laminated composites is presented. Using the ±45° symmetric laminate tensile test results, in conjunction with computational micromechanics, a method was developed and validated to characterize the lamina shear response and the in-situ matrix shear response. Load, and axial and transverse strains measured in the tests were used to calculate the non-linear shear stress–shear strain response of the composite. From this result, the in-situ matrix equivalent stress–strain response was obtained, with some simplifying assumptions, and subsequently used in a micromechanics-based representative finite element (FE) model of the ±45° symmetric laminate tensile test to determine the accuracy of the non-linear response of the in-situ matrix. Results from the FE model of a representative cell (RC) that depicts fiber diameter, fiber volume fraction (V_f) and angled fiber packing of the ±45° symmetric laminate were found to match the tests result well. Thus, the procedure to extract the non-linear lamina shear response and the non-linear in-situ matrix response from the ±45° symmetric laminate tensile test was validated.