三维编织复合材料弹道侵彻准细观层次有限元计算

三维编织复合材料相比于层合复合材料有较高的层间剪切强度和断裂韧性,因而具有更高的冲击损伤容限。用钢芯弹对三维编织复合材料作弹道贯穿测试,得到弹体的入射速度和剩余速度,并考察侵彻破坏模式。目前对三维编织复合材料弹道侵彻性能计算主要建立在连续介质假设上,从真实细观结构计算三维编织复合材料弹道冲击性能尚有一定难度,用三维结构复合材料的纤维倾斜模型在准细观结构层次上分解三维编织复合材料,就其中的一块倾斜单向板作弹道侵彻有限元计算,由弹体动能损失得到贯穿整个复合材料靶体后弹体的剩余速度。有限元计算及与弹道测试结果的比较证明在准细观层次上计算三维编织复合材料弹道冲击性能的有效性。      

三维编织复合材料面内刚度和强度性能研究

以修正的经典层合板理论为基础, 分析三维编织复合材料的力学性能。在单胞的长度方向积分和平均, 预测编织结构复合材料的有效弹性模量; 采用蔡-胡多项式失效准则, 得到三维编织复合材料的强度性能。另外, 进行编织结构复合材料的力学性能实验, 探讨纺织工艺参数, 如纤维编织角、横向编织角、轴向纱数与编织纱数之比、纤维体积含量等对力学性能的影响, 理论预报和试验结果进行对比, 发现该力学模型能较好地预报三维编织复合材料的刚度和强度性能。      

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。      

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。      

立体多向编织结构对复合材料性能的影响

本文采用1×1,1×2和1×3三种不同的编织结构对轴向增强和非增强三维多向编织复合材料的性能进行了研究。对编织复合材料的拉伸强度、刚度和弯曲强度、刚度进行了实验分析。结果表明;三维编织复合材料具有良好的性能。编织结构对复合材料性能有较大的影响。纤维表面编织角和纤维体积比是影响复合材料性能的重要结构参数。通过轴向加入非编织增强纤维,使编织复合材料的拉伸强度和模量,弯曲强度和模量有了较大改善。     

三维四向编织复合材料体胞模型的修正

基于弹性理论建立了三维四向编织复合材料的交叉模型。这种模型简单,易于计算,易于程序化,但弹性常数计算结果有一定误差。本文作者总结了影响三维编织复合材料弹性常数的因素,并首次对三维编织复合材料的交叉模型进行了两次修正。每次修正的原因与结果不同。首先对传统的单向复合材料的体胞模型进行修正;基于此,又考虑了编织体结构的纤维束的曲线弧度的影响,并应用正弦曲线模拟了纤维束的曲线弧度,对模型进行第二次修正。由修正后的交叉模型应用MATLAB计算了三维编织复合材料的弹性模量和拉伸载荷下纤维束截面的应力情况。由两次修正的交叉模型计算的弹性常数与试验结果符合较好。由应力大小分析了三维编织复合材料破坏的应力解释。      

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。      

三维四向编织复合材料力学性能的有限元分析

在已有研究的基础上,提出了一个新的三维编织复合材料单元胞体模型,该模型正确地反映了纤维束的交织方式,十分接近三维编织复合材料的真实结构,可用于三维四向编织复合材料有效模量的有限元数值预报,并合理确定复合材料内部全场应力分布。采用有限元软件对该模型进行了力学分析,得到了相关等效弹性性能参数。结果表明:有限元计算得到的三维编织复合材料的等效弹性性能与实验结果和理论预测值都吻合较好,从而验证了该模型的有效性。此外,基于新的单元胞体模型还确定了三维四向编织复合材料的应力场,为进一步的强度计算奠定了基础。      

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了一个新的三维实体细观结构模型, 并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式, 纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化, 更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想, 建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性, 为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。     

夹杂问题中的自洽有限元法和复合材料的平均弹性性能

本文提出了处理夹杂问题的自洽有限元法。它以自洽模型为基础,利用有限元迭代法计算有效介质的平均弹性性能。作为应用,本文利用该方法计算了单向短纤维增强复合材料的平均弹性模量,并比较了纤维的几何形状对复合材料平均弹性性能的影响。数值结果与实验值吻合较好。      

三维编织复合材料力学行为研究进展

对三维编织复合材料的细观结构几何模型和力学性能的研究进展进行了综述。重点介绍近几年该领域的研究成果和作者的一些研究工作, 其中包括三维编织复合材料力学性能的实验研究和理论研究。在理论研究方面, 介绍了弹性应变能法、纤维倾斜模型、三细胞模型和有限元模型等工作。最后, 对未来的研究趋势进行了展望。      

Evaluation of the in-plane effective elastic moduli of single-layered graphene sheet

In this paper, an equivalent continuum-structural mechanics approach is used to characterize the mechanical behaviour of nanostructured graphene. The in-plane elastic deformation of armchair graphene sheets is simulated by using finite element modelling. The model is based on the assumption that force interaction among carbon atoms can be modelled by load-carrying beams in a representative two-dimensional honeycomb lattice structure. The elastic properties of beam elements are determined by equating the energies of the molecular structure and the continuum beam model subjected to small strain deformation. Then an equivalent continuum technique is adopted to estimate effective elastic moduli from which elastic constants are extracted. A comparison of elastic constants obtained from current modelling concur with results reported in literature. With the multifunctional properties of graphene sheets as manifested in a broad range of industrial applications, determination of their elastic moduli will facilitate a better design of the corresponding materials at macroscopic level.     

Mechanical modeling of incompressible particle-reinforced neo-Hookean composites based on numerical homogenization

In this paper, the mechanical response of incompressible particle-reinforced neo-Hookean composites (IPRNC) under general finite deformations is investigated numerically. Three-dimensional Representative Volume Element (RVE) models containing 27 non-overlapping identical randomly distributed spheres are created to represent neo-Hookean composites consisting of incompressible neo-Hookean elastomeric spheres embedded within another incompressible neo-Hookean elastomeric matrix. Four types of finite deformation (i.e., uniaxial tension, uniaxial compression, simple shear and general biaxial deformation) are simulated using the finite element method (FEM) and the RVE models with periodic boundary condition (PBC) enforced. The simulation results show that the overall mechanical response of the IPRNC can be well-predicted by another simple incompressible neo-Hookean model up to the deformation the FEM simulation can reach. It is also shown that the effective shear modulus of the IPRNC can be well-predicted as a function of both particle volume fraction and particle/matrix stiffness ratio, using the classical linear elastic estimation within the limit of current FEM software.     

纤维束增强复合材料的横向弹塑性性能研究

利用细观力学模型和有限元法研究纤维束复合材料的横向弹塑性力学性能。假设弹性的纤维束均匀地分布于幂硬化弹塑性基体材料中, 并假设纤维束内的纤维接触是光滑的。通过与单丝纤维复合材料的相应结果比较, 研究了纤维成束对复合材料宏观弹塑性性能的影响。通过对硼/铝复合材料的数值研究表明: 纤维的成束对复合材料的横向弹性刚度影响很小, 而对复合材料的塑性变形和切线刚度有显著的影响。      

三维织造层间增强的纤维棒复合材料细观结构模型及力学性能有限元模拟

针对复合材料层间增强的需求,提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构,建立了0°/90°、45°/135°及0°/90°/45°/135°3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型,该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件,利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数,讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系,分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布,制作了实体模型,进行了相关实验。结果表明:单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好,织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同,不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征,其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布,为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。     

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

Consistent coupling of beam and shell models for thermo‐elastic analysis

In this paper, the finite element formulation of a transition element for consistent coupling between shell and beam finite element models of thin‐walled beam‐like structures in thermo‐elastic problems is presented. Thin‐walled beam‐like structures modelled only with beam elements cannot be used to study local stress concentrations or to provide local mechanical or thermal boundary conditions. For this purpose, the structure has to be modelled using shell elements. However, computations using shell elements are a lot more expensive as compared to beam elements. The finite element model can be more efficient when the shell elements are used only in regions where the local effects are to be studied or local boundary conditions have to be provided. The remaining part of the structure can be modelled with beam elements. To couple these two models (i.e. shell and beam models) at transitional cross‐sections, transition elements are derived here for thermo‐elastic problems. The formulation encloses large displacement and rotational behaviour, which is important in case of thin‐walled beam‐like structures. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.