基于周期性边界条件的炭黑填充橡胶复合材料力学行为的预测

在分析炭黑填充橡胶复合材料的宏观与细观特征之间联系的基础上,提出了具有随机分布形态的代表性体积单元,推导并应用了周期性细观结构的边界约束条件,建立了三维多颗粒夹杂代表性体积单元的数值模型,对炭黑填充橡胶复合材料的宏观力学行为进行了模拟仿真。研究表明,该模型通过周期性边界条件的约束保证了宏观结构变形场和应力场的协调性;计算得到的炭黑填充橡胶复合材料的弹性模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;该模型对复合材料有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合较好,而且比Bergstrom三维模型的预测结果更好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

基于Al/PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟

通过细观力学有限元方法对Al颗粒增强聚四氟乙烯（Al/PTFE）复合材料的宏观力学性能进行了研究,基于Al颗粒粒径分布统计规律及通过SEM对该复合材料孔洞含量的统计分析,在细观层次上建立了考虑颗粒和孔洞位置和尺寸分布的随机代表性体积单元（RVE）,借助ABAQUS有限元软件,对二维平面应变和三维实体模型在单轴压缩载荷作用下的力学行为进行了数值仿真;并施加了周期性边界条件（PBC）以提高数值计算结果的准确性。此外,分析了不同颗粒含量下复合材料准静态应力-应变关系,重点对细观有限元模型与准静态压缩试验结果进行了对比分析。研究结果表明:二维和三维2种模型均能较好地模拟Al/PTFE的宏观力学性能,且二维模型较三维模型计算效率更高,并进一步证实了PBC的正确性和有效性。      

炭黑/硅橡胶导电复合材料微观结构及其导电特性

对炭黑/硅橡胶导电复合材料的微观结构及导电特性进行了研究。以液体硅橡胶为绝缘基体、纳米导电炭黑颗粒为填充材料制作的复合材料具有优良的导电特性,通过实验测试获得了不同炭黑含量下复合材料的电阻率,当炭黑质量分数4%时,可获得较好的导电性。利用电子扫描系统对炭黑颗粒在硅橡胶基体中的微观结构分布进行了观察,观察发现纳米炭黑颗粒主要以"团聚体"及与之相连的"链条"结构两种形式存在,并不是均匀规则的。将"团聚体"与"链条"结构简化为可变形的"大颗粒",在此基础上建立了相应的导电模型。     

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。      

AlN/橡胶复合材料等效热导率数值计算

利用计算机生成不同的AlN/橡胶复合材料等效结构单元,基于三维格子玻尔兹曼模型计算了复合材料的等效热导率。实验制备了AlN/橡胶复合材料,并测定了不同填充量下复合材料的热导率,用以验证模型的有效性。将LBM计算结果与实验结果及Maxwell、Bruggeman、Nielsen等模型进行了比较,发现本文数值计算结果与Maxwell模型吻合较好,相比较于Bruggeman模型与Nielsen模型更加接近实验值。研究了AlN颗粒尺寸及分布方式对复合材料导热性能的影响。结果表明,一定体积分数范围内,粒径较小的AlN颗粒填充橡胶复合材料的等效热导率较大,当体积分数增大到20%,粒径较大的复合材料内先开始形成导热网络,大大提高了热导率;随机分布比均匀分布方式下的复合材料的等效热导率大,不同的粒子空间分布结构是影响复合材料热导率的关键因素。     

考虑界面结合的SiCP/6061Al 复合材料时间相关棘轮行为的三维有限元分析

采用多颗粒三维单胞模型和复合材料细观有限元分析方法,借助先进循环黏塑性本构模型的有限元实现,对SiC颗粒增强6061Al复合材料的室温、高温时间相关单轴棘轮行为进行数值模拟。讨论了颗粒排列方式和界面结合状态的变化对复合材料棘轮行为的影响;同时,分析了复合材料中基体和界面的微观变形特征及其演变规律;最后,选取一组合理的微结构参数,对复合材料的时间相关棘轮行为进行了数值模拟,并通过与已有实验结果的比较,检验了有限元分析的合理性。结果表明：多颗粒代表性体积单元能够反映复合材料更多的微观细节;颗粒排列方式的变化显著影响复合材料的整体棘轮行为;界面结合状态越好,产生的棘轮变形越小;具有合理参数值的弱界面模型给出的时间相关棘轮变形预测结果比完好界面模型的结果更接近实验值。     

C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真

主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。      

三维五向编织复合材料的力学性能分析Ⅱ: 细观应力数值模拟

在实验观察的基础上, 考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化, 修正了现有的细观结构模型, 建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D 有限元法计算了材料的轴向弹性模量, 数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布, 为材料进一步的强度预测奠定了基础。      

基于界面相模型的耐火材料非线性力学行为模拟

耐火材料力学行为的非线性源自于其细观结构的变形和损伤。从细观力学入手,采用不完美界面颗粒填充复合材料的界面相模型,结合材料的损伤机理,通过逐步改变界面相的弹性模量和体积分数等物理参数来等效模拟材料在承载过程中的非线性力学行为。在镁碳质耐火材料的实验基础上,对材料在不同承载形式下的损伤演化过程进行模拟,利用数值计算的方法得出材料应力与应变的关系。研究结果表明,运用此方法对镁碳质耐火材料非线性力学行为的模拟结果与实验结果能较好地吻合。     

颗粒性态的随机性对SiC_P/6061Al复合材料棘轮行为影响的有限元分析

采用复合材料细观有限元分析方法,并借助先进循环塑性本构模型的有限元实现,对颗粒性态的随机性对SiC颗粒增强6061Al复合材料棘轮行为的影响进行了有限元数值模拟。采用随机序列吸附方法(RSA)生成各种多颗粒随机分布的模型,探讨了颗粒分布方式、数目、形状和大小以及各自的随机性对复合材料棘轮行为的影响。研究发现:颗粒尺寸越小、数目越多、分布在基体表面的比例越大,颗粒的增强效果越好;颗粒的大小和空间位置分布越均匀,复合材料抗循环变形的能力越强;球形颗粒和均匀分布的假设可以得到很好的模拟结果。     

橡胶隔振器大变形有限元分析

以橡胶隔振器为研究对象,基于超弹性本构模型,对拉伸、压缩、剪切状态下分别进行有限元计算,探讨橡胶等不可压缩材料大变形有限元建模技术;重点研究橡胶结构不同受载方式下变形模式及有限元分析所需要的材料试验数据。经与试验结果对比分析,得到隔振器三种状态下,填充超弹本构模型最优的材料数据类型,为橡胶结构件的数值模拟提供有益参考。     

低压缩永久变形导电炭黑/硅橡胶复合材料的制备与性能

为获得一种低压缩、永久变形及高回弹的导电屏蔽硅橡胶密封材料,以经偶联剂表面处理的炭黑作补强剂及导电填料,乙烯基硅橡胶生胶作基料,制备出一种导电炭黑/硅橡胶复合材料。研究了不同炭黑含量的导电炭黑/硅橡胶复合材料的力学性能、弹性、分散性以及电性能,采用SEM观察了炭黑在硅橡胶基体中的分布形貌,分析了导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电机制及屏蔽机制。结果表明:随着炭黑含量的增加,导电炭黑/硅橡胶复合材料的Shore A硬度由31增至70;拉伸强度先由3.31 MPa增至5.28 MPa,而后趋于稳定;拉断伸长率先由198%增至297%,然后再减小至210%;恒定压缩永久变形量先减小后增大,瞬间回弹率逐渐减小;由于"炭黑簇"的形成及导电通路的完善,导电炭黑/硅橡胶复合材料的导电性能及屏蔽效能增强。     

Thermomechanical properties of rubber/carbon black composites

The peculiarities observed with the mechanical behaviour of rubber/carbon black composites, due to the formation of rigid structures of carbon black particles within the rubber matrix, were found to occur with their thermomechanical behaviour as well. Application of a model developed in order to cope with the mechanical behaviour led to suitable modification of prediction theories, not only to provide good agreement with experimental evidence, but also to yield satisfactory explanations for certain associated phenomena.     

炭黑/热塑性硫化胶复合材料导电的奇异性

系统地研究了炭黑(CB)/热塑性硫化胶(TPV)(三乙丙橡胶/聚丙烯类型)复合材料的导电性能,发现CB/TPV复合材料具有独特的电学性能。交联的橡胶相的存在对导电炭黑粒子既产生排斥效应,又产生阻隔效应。前者对导电网络的形成有利,而后者正相反。在低橡胶相含量时,随橡胶相含量增加,复合材料电阻呈下降趋势;而高橡胶含量时,随橡胶相含量增加,复合材料的电阻升高。高橡胶含量时,复合材料电阻的逾渗效应明显减弱。复合材料在熔融状态下热处理时,其电阻-时间效应明显依赖于模具压力。同样热处理时间下,压力越高,电阻越大。压力达到一定值后,体系的电阻基本不受热处理时间的影响。初步认为这是由于热处理完毕释压后,变形的弹性粒子发生形变恢复从而对热处理形成的聚集网络有一定的破坏作用所致。自由升温实验表明:CB/TPV复合材料具有NTC现象,即使在结晶熔化区也未展示PTC行为,这与橡胶粒子的热膨胀排斥效应有关。在熔融态停留阶段电阻的稳定性很好,这主要归因于熔融态下炭黑粒子聚集(对电导有利)和橡胶相粒子聚集(对电阻有利)相互竞争的结果。      

环保型水切割胶粉对天然橡胶力学性能和动态性能的影响

采用环保型水切割胶粉及力化学改性胶粉（MRP）与天然橡胶（NR）复合制备胶粉-NR复合胶,并探讨了胶粉用量对复合胶力学性能和动态性能的影响。通过红外和热失重分析确定了胶粉的主要成分为NR和丁苯橡胶（SBR）,且改性后胶粉大分子链结构未发生明显变化。通过橡胶加工分析仪研究了胶粉用量及改性对复合胶加工性能的影响。采用炭黑分散仪研究并观察了胶粉在NR中的分散情况。结果表明,胶粉改性后与NR的相容性提高,二者界面结合力增大,MRP-NR复合胶加工性能改善。炭黑分散结果表明,胶粉用量越多,其分散性越差,改性后胶粉的分散性提高,MRP-NR复合胶的力学性能最优,拉伸强度为27.9 MPa。     

基于细观有限元方法的复合材料横向力学性能分析

横向断裂是制约复合材料结构设计的关键点,传统细观模型因为不能充分考虑组分性能、体积分数和纤维形状及分布情况而不能有效预测材料横向力学性能。采用改进的随机序列吸收算法建立具有随机纤维分布的复合材料代表性体积单胞模型,考虑基体破坏和界面脱粘两种失效模式和固化过程中产生的残余应力,对模型在横向拉、压、剪3种载荷下的力学行为进行仿真计算。分析了不同界面强度对复合材料力学性能的影响规律。仿真结果与实验数据对比表明:横向模量预测误差在7%以内,压缩和剪切的强度误差在8%以内,结果一致性较好,表明该模型能够有效预测复合材料横向力学性能。     

Fracture mechanisms of epoxy-based ternary composites filled with rigid-soft particles

Epoxy composites filled with different amounts of aggregate-free silica nanoparticles and phase-separated submicron rubber particles were fabricated to study the synergistic effect of multi-phase particles on mechanical properties of the composites. Compared with binary composites with single-phase particles, the ternary composites with both rigid and soft particles offer a good balance in stiffness, strength and fracture toughness, showing capacities in tailoring the mechanical properties of modified epoxy resins. It was observed that debonding of silica nanoparticles from matrix in the ternary composites was less pronounced than that in the binary composites. Moreover, the rubber particles became smaller and their shape tends to be irregular, affected by the presence of rigid silica nanoparticles. The toughening mechanisms in the epoxy composites were evaluated, and the enlarged plastic deformation around the crack tip, induced by the combination of rigid and soft particles, seems to be a dominant factor in enhancing fracture toughness of the ternary composites.     

Three‐dimensional meshfree‐enriched finite element formulation for micromechanical hyperelastic modeling of particulate rubber composites

A three‐dimensional microstructure‐based finite element framework is presented for modeling the mechanical response of rubber composites in the microscopic level. This framework introduces a novel finite element formulation, the meshfree‐enriched FEM, to overcome the volumetric locking and pressure oscillation problems that normally arise in the numerical simulation of rubber composites using conventional displacement‐based FEM. The three‐dimensional meshfree‐enriched FEM is composed of five‐noded tetrahedral elements with a volume‐weighted smoothing of deformation gradient between neighboring elements. The L₂‐orthogonality property of the smoothing operator enables the employed Hu–Washizu–de Veubeke functional to be degenerated to an assumed strain method, which leads to a displacement‐based formulation that is easily incorporated with the periodic boundary conditions imposed on the unit cell. Two numerical examples are analyzed to demonstrate the effectiveness of the proposed approach. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.