Review：A Critical Assessment on the Predictability of 14 Micromechanics Models for the Stiffness and Strength of UD Composites

综述：14种细观力学模型预报单向复合材料刚度和强度能力的严格评估

黄争鸣,张春春

（同济大学 航空航天与力学学院,上海 200092）

创新点说明：

任何最初为预报复合材料刚度（弹性性能）所建立的细观力学模型,都可用来合理预报复合材料的强度,只需将基体的均值应力转换成真实应力即可。本文以三届世界范围破坏评估的数据为基准,对14种著名细观力学模型预报单向复合材料刚度和强度的能力进行了严格评估。桥联模型预报复合材料刚度和强度的精度都是最高的。此外,它还是唯一满足内应力计算一致性的理论。非一致性意味着复合材料的等效性能应该基于三维分析得到。本文还证实,具有最小纤维体积的代表性单元将导致对复合材料等效性能的最佳近似。

研究目的：

1、评估各种细观力学模型预报复合材料刚度和强度的能力;

2、指出应力计算一致性的意义与作用;

3、说明代表性的体积越小,效果越好。

研究方法和结果：

采用案例分析;完全基于纤维和基体材料的原始性能,14种细观力学模型预报9组复合材料刚度的平均误差最小10.38%,最大30.72%;预报这些复合材料强度的平均误差最小21.1%,最大45.1%。预报刚度的精度排序与预报强度的精度排序大体相同。桥联模型预报刚度和强度的平均误差分别都是最小的。

结论：

只要将基体的均值应力转换成真实应力后,任何细观力学模型就不仅可以预报复合材料的刚度,还可以合理预报复合材料的强度。但是,除了桥联模型,任何其他模型需要应用其三维理论分析复合材料的等效性能,二维理论只能得到近似结果。

关键词：复合材料;力学性能;细观力学;应力集中系数;真实应力;代表性单元;应力计算一致性

     

含缺陷纤维增强复合材料热膨胀系数预报

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维与微裂纹之间的相互作用，预报了复合材料的有效热膨胀系统，研究了纤维体积份数，微裂纹密度对热力学性能的影响，为材料热应力分析提供了理论基础。     

PVA纤维及尾矿砂掺量对GTCC自愈合性能影响

针对最新开发的绿色韧性水泥基材料的自愈合性能,参考国内外水泥基复合材料的自愈合理论与试验研究,采用强度恢复法对经过预制裂纹处理、自愈合养护至不同龄期的试件进行抗压强度试验并计算其强度恢复率.分析不同纤维体积掺量及尾矿砂替代天然砂比率对该水泥基复合材料自愈合性能的影响规律.结果表明,利用尾矿砂部分替代细骨料可以提高GTCC的自愈合性能.在不影响GTCC抗压强度的前提下,合理使用PVA纤维可以提高材料的自愈合能力.     

温湿场交变环境下外加载荷对不同孔隙率CFRP弯曲力学性能影响

为探究不同孔隙率碳纤维/环氧树脂层合板在仿超音速飞行的高低温湿热老化环境及外加载荷作用对弯曲力学性能的影响规律,基于材料服役期间的吸湿状态和内应力状态,对T700CF/3234EP进行模拟超音速飞机服役环境的高低温交变加速湿热循环试验.通过控制模压压力,制备3种孔隙率分别为0.04、0.08和0.11的层合板,将3种孔隙率的层合板进行加载,加载载荷为层合板最大弯曲载荷的0、30%、40%和60%,然后将其置于高低温环境模拟试验箱中,分别测量不同循环周期复合材料层合板的弯曲强度变化,并采用ABAQUS软件对其弯曲力学性能进行有限元模拟.试验结果表明:温湿场交变环境下,外加载荷和孔隙率加速层合板弯曲强度的下降,在高低温湿热循环4~6周期时,随着载荷的增大,二次固化现象越明显,层合板的弯曲强度变化比较平缓.使用ABAQUS软件建立有限元模型,计算得到的弯曲力学强度变化趋势与试验结果相一致,说明高低温湿热老化环境和外加载荷对复合材料弯曲性能的影响,对不同孔隙率的碳纤维/环氧树脂层合板弯曲性能进行较为准确的预测.     

复合材料剪切板的裂纹扩展与剩余强度

对剪切载荷下带中心裂纹层板的损伤情况、宏观裂纹的扩展及剩余强度问题进行了计算和分析,着重探讨了裂尖铺层的破坏形式、宏观裂纹扩展及剩余强度三者的特点及相互关系。对两种材料Ｔ３００／６４８Ｅ和Ｔ３００／ＱＹ８９１１进行了比较,发现裂纹的扩展不仅与铺层形式有关,还与材料有关,且有明显规律可循。另外,层板铺层不同,裂尖损伤的累积过程也不同。裂尖铺层的２向（垂直于纤维向）破坏和面内剪切破坏尤其是前者对层板的剩余强度影响较大。所得结论得到了实验的验证。     

Micromechanical analysis of interaction energy for SMA reinforced composite

The energy of the interaction between the matrix and the inclusions in shape memory alloy (SMA) reinforced composite is one of the most important and complicated parts in thermodynamic constitutive theory. In this paper, the interaction energy is derived based on the classical theory of micromechanics and the thermodynamic theory. The SMA composite is treated as three phases, namely the austenitic phase, the martensite phase and the matrix phase. The interaction among the three phases is analyzed in a way close to the fact. The present expression is used to calculate the interaction energy of a typical SMA composite with attentions paid to understand of the effects of the matrix material, the fiber geometry, and the fiber/matrix volume ratio. It is shown that the method developed in this paper is credible compared with the references. Some useful conclusions are obtained. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10772021 and 90205007)     

纤维复合材料层合板的鲁棒设计研究

提出一种复合材料层合板的优化设计和鲁棒设计分析方法.首先,以铺设角和厚度作为设计变量,可靠度指标作为目标,利用遗传算法求解层合板的优化问题.在此基础上,考虑设计变量或影响参量的变差,提出鲁棒设计准则以及求解方法.数值算例显示,通过减小结构响应相对于设计变量或参量的敏感度,可以补偿由变差引起的设计结果的不稳定.     

Mechanical behaviors of notched composite laminates

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＦｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔａｎｄｓｔｉｆｆ ｎｅｓｓ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔ,ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌａｎｄａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ .Ｆｌａｔｃｏｕｐｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｏｆｔｅｎｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ .Ｂｅｃａ…     

Research on Fixture’s Effect on Properties of Single-Shear Bolt Jointed Composite Laminates Structure

夹具对单剪连接层合板结构性能影响的研究

刘长喜^1,2,周振功¹,王晓宏²,张博明³

（1.哈尔滨工业大学复合材料研究所;2.黑龙江工程学院机电工程学院;3. 北京航空航天大学材料科学与工程学院）

创新点说明：

（1）从测试夹具的角度出发,利用试验与数值分析相结合的方法,分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响;

（2）基于通用有限元软件ABAQUS及其用户自定义子程序USDFLD,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑细观组分材料（纤维、基体、界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观多尺度数值分析模型。

研究目的：

此文是为了研究测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响

研究方法：

（1）根据ASTM D5961-B 测试标准进行复合材料层合板试件的设计;

（2）利用热压罐成型技术进行复合材料层合板试件的制作;

（3）根据ASTM D5961-B测试标准进行单剪连接层合板结构性能测试,并分析测试夹具对测试结果的影响;

（4）基于ABAQUS软件及其用户自定义子程序（USDFLD）,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑复合材料组分材料（纤维、基体及界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观相结合的数值分析模型;

（5）利用试验测试结果验证模型的准确性,在此基础上利用所建立的数值分析模型进一步分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响。

结果：

（1）试验测试结果表明：

a）单剪连接层合板结构承载能力的应力-应变曲线的重复性较好;

b）不同于双剪连接层合板结构,单剪连接层合板结构的应力-应变测试曲线的初始阶段未出现明显的峰值;

c）单剪连接层合板结构的承载能力参数（初始挤压强度、偏移挤压强 度和极限挤压强度）均低于双剪连接层合板结构的相应的承载能力参数。

（2）数值分析结果表明：

a）数值分析结果与试验测试结果吻合较好;

b）试件与测试夹具侧面的不完全接触将导致测试结果偏低;

c）测试过程中,载荷的非对中性将导致测试结果偏低;

d）测试夹具的刚度偏低将导致测试结果偏低。

结论：

（1）单剪连接层合板结构的挤压性能低于双剪连接层合板结构的挤压性能,且单剪连接层合板结构挤压性能的试验测试结果偏差较大;

（2）单剪连接层合板结构挤压性能测试过程中,应注意夹具与试件之间的完全夹紧、避免加载过程中载荷的不对中性,提高测试夹具的刚度,以保证测试结果更加接近结构的实际性能。

关键词：宏-细观多尺度数值分析;单剪层合板结构;测试夹具;ABAQUS;GMC模型;用户子程序

     

圆台大端纤维的拔出力分析

贝壳珍珠母中的文石片具有中间薄两端厚的特殊形貌,受此启发,把复合材料中的纤维设计成两端部为圆台状的大端异型体,可使复合材料的强韧性得以改善。本文考虑均匀分布和含量相同的圆台大端纤维和平直纤维增强复合材料,利用剪滞理论分别计算了2种纤维的与材料强韧性密切相关的拔出力。计算结果表明:圆台大端纤维的最大拔出力明显大于平直纤维的最大拔出力;基体和纤维的材料常数以及几何尺寸对最大拔出力有较大影响;在不改变基体和纤维物性时,只要合理选取形体优化设计的圆台大端纤维以及适当增加界面摩擦系数,也可使复合材料的强韧性增大。     

混凝土强度影响GFRP板-混凝土组合梁力学性能研究

为研究GFRP板-混凝土组合梁的力学性能,利用ABAQUS有限元软件建立玻璃纤维增强复合材料(GFRP)加固混凝土梁模型,通过组合梁的荷载-跨中挠度曲线和承载力两个方面验证了建立模型方法的合理性。设计了C25、C30和C40三个不同强度等级混凝土的构件模型,分析并得出关于GFRP板-混凝土组合梁的力学性能的结论。结果表明:(1)在相同荷载下,组合梁的极限承载力随着混凝土强度等级增大而增大,延性随着混凝土强度等级增大而减小;(2)增大混凝土强度等级可以有效增大组合梁的极限承载力;(3)GFRP板可以提高组合梁的抗弯承载力;(4)GFRP板-混凝土组合梁主要分为弹性阶段和带裂缝工作两个阶段。     

乳化沥青对PVA纤维增强水泥基复合材料韧性的影响

为了研究乳化沥青对纤维增强水泥基复合材料韧性的影响,采用乳化沥青制备PVA纤维增强水泥基复合材料,对其强度和韧性性能进行测试,并采用SEM对试件断面微观形貌进行了分析。结果表明,加入乳化沥青以后,复合材料的抗压强度和抗折强度迅速下降,而韧性性能迅速上升;纤维的破坏模式由拉断破坏变成拔出破坏,随之在试件底部出现了多缝开裂;当乳化沥青用量为10%时,试件出现了明显应变硬化现象;当乳化沥青用量过大时,韧性反而下降。此外,结合微观力学原理,对乳化沥青的增韧机理进行了阐述。     

多向纤维复合板的构造及其理论基础

利用群的表示理论,给出了纤维复合板宏观弹性刚度张量的本构形式,给出了纤维复合板宏观力学性质与基体和纤维力学性质的关系,寻找出各向同性纤维复合板的简单构造方法,其结果将可用于纤维复合板力学性质的设计,达到降低纤维复合板制造成本的目的。通过有限元数值仿真了三向纤维复合板和四向纤维复合板的力学性质,仿真数据与基于Hill平均的纤维复合板宏观弹性刚度张量表达式的计算结果一致。     

一种可净化空气的生态型植物纤维复合板材的研究

研究了一种以石灰为基体,植物纤维为增强相的复合板材的制备方法,探讨了基体相、纤维相以及界面相的复合机理及其纤维含量、添加剂含量等对复合板材性能的影响.结果表明:未加石膏时,随着纤维含量的增加,材料的抗折、抗压强度均增加;加入石膏后,材料的抗折强度明显降低,而抗压强度逐渐增大.该板材无任何游离态甲醛释放,可以吸收空气中的CO2起到净化空气的作用,是绿色环保材料.     

耐碱玻璃纤维与树脂界面剪切强度的实验测定

玻璃纤维筋具有耐腐蚀性,可以克服钢筋易锈蚀的缺点,在工程中有良好应用前景.玻璃纤维筋是由耐碱玻璃纤维和乙烯基脂树脂组成的复合材料,其性能受很多因素影响,而界面剪切强度是复合材料设计的重要指标,采用单纤维埋入法(SFM)测定这一参数,对基体力学性能对界面剪切强度的影响进行了研究,得出一些结论,这些结论无疑会对玻璃纤维筋的优化设计提供依据,为玻璃纤维筋在工程中的应用提供理论基础.     

竹纤维碱化改性对竹纤维/聚丙烯复合材料性能的影响

用不同浓度的NaOH 溶液对竹纤维(bamboo fiber, BF) 进行表面改性处理, 一定温度烘干后, 通过熔融挤出 制备了竹纤维/聚丙烯(BF/PP) 竹塑复合材料。采用示差同步扫描热分析仪(TG-DSC)、红外光谱(FTIR)、X 射线衍 射仪(XRD) 和扫描电镜(SEM) 等对预处理前后BF 的结构进行表征, 并研究了复合材料的力学性能。结果表明: 改 性后BF 的热稳定性升高, 形成疏松的纤维束; 复合材料的力学性能显著提高。其中用3% 的NaOH 溶液改性BF 制 备的复合材料的力学性能最佳, 冲击强度较纯PP 可提高100%, 屈服强度提高14.8%。复合材料冲击断面SEM 显 示, 一定浓度的NaOH 溶液改性可以明显提高BF 与PP 基体树脂间的相容性。     

置入光纤传感器测定FRP残余应力的研究

利用最新发展的基于光纤微弯传感原理制作的缠绕式光纤应变传感器来测定FRP的残余应力.自行设计模具以制成两种FRP复合材料试件,一种为按照普通成型的过程制成试件,另一种为采用预加张力复合原理制成试件,通过测量两种试件的残余应力,得到大量有价值的实验数据,分析、对比实验结果,得到预加张力引起的残余应力.说明给纤维预加张力后,能提高复合材料的强度水平,对获取高质量的复合材料产品具有重大意义.     

碳纤维复合材料冲击损伤的激光错位散斑检测

采用激光错位散斑检测技术,对含有冲击损伤的碳纤维层压板进行检测实验,分析了错位方向、错位量和加载时间对检测结果的影响。实验结果表明,激光错位散斑检测技术能够快速、准确的定位含有冲击损伤碳纤维复合材料层压板中的损伤位置;对有明显纵横比的冲击损伤而言,错位方向与其纵向一致将对损伤范围和程度判定产生较为明显的影响;错位量大小应控制在需要检测的最小冲击损伤的半径到直径之间,在提高检测灵敏度的同时避免由于错位量过大导致的误检和漏检;热加载时间过长或过短都会导致漏检,在实际检测过程中应结合被检物实际情况具体分析。     

SFRC兼有阻裂作用的复合理论

分析了钢纤维增强水泥基复合材料（SFRC）纤维间距理论、复合理论存在的问题，将纤维阻裂与纤维复合增强看成是两种不同的作用，据此提出了SFRC兼有阻裂作用的复合理论。该理论不仅可以给出复合材料的初裂强度和极限强度，而且还能给出复合材料的应力－应变曲线。     

苎麻增强不饱和聚酯复合材料的力学性能

分别以苎麻原麻和碱处理的原麻（碱麻）为增强体,KH550为偶联剂,制备了苎麻增强不饱和聚酯复合材料．探讨了偶联剂用量和纤维含量对复合材料力学性能的影响,并用扫描电子显微镜对复合材料的断面进行了观察．实验结果表明,复合材料的力学性能得到了较大的提高．原彬不饱和聚酯复合材料的拉伸强度达132．6MPa,弯曲强度达364．6MPa;碱彬不饱和聚酯复合材料拉伸强度迭116．5MPa,弯曲强度达297．7MPa．