纤维/聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统,研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素,提出了改进的微观力学模型;利用该系统,研究了表面经不同改性处理的CF增强PMR-15聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能,结果表明:有效的表面处理可使CF/PMR-15界面剪切强度明显提高,并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

碳/碳复合材料纤维束/基体界面强度的表征

为了获得准确表征纤维束界面强度的方法,对影响纤维束界面强度的因素进行了研究.通过顶出方法对纤维束界面强度进行表征,利用SEM和Micro-CT研究了纤维束界面层微结构对纤维束界面强度的影响,并通过有限元分析方法对纤维束界面的断裂行为进行分析.结果表明：在纤维束界面层含有不同程度的脱粘和裂纹缺陷结构,影响了纤维束的界面强...     

纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析

基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能同时反映纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹扩展的单元(X-VCFEM单元);应用界面力学理论和断裂力学理论,建立界面脱层、界面裂纹扩展方向和基体裂纹扩展的判断准则;结合网格重划分技术,模拟分析了只含有一个夹杂时界面脱层和基体裂纹扩展的过程,并通过与传统有限元计算结果的比较,验证X-VCFEM单元的可靠性和有效性;同时,模拟分析含任意随机分布夹杂的纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的产生和扩展过程。结果表明：应用该方法模拟复杂多相复合材料裂纹问题具有计算速度快和精度高的优越性。     

莫来石短纤维/ZL109复合材料基体与纤维界面上氧化膜

用TEM观察到了莫来石短纤维／ZL109复合材料基体与纤维界面存在氧化膜,并且通过分析证明该氧化膜为γ-Al2O3。     

SMA长纤维增强弹塑性基体复合材料的力学性能

本文从作者建立的SMA本构模型出发,推导出增量型的SMA本构关系;借助于细观力学的方法,推导出了新的长纤维SMA复合材料的增量型细观本构模型;应用此模型分析了该复合材料的力学性能,得出了一些定量的结论,尤其是计算了复合材料中各相的残余应力的变化,这对智能复合材料的设计提供了很大帮助。     

纤维／聚合物基体界面性能的原位表征

建立了复合材料界面强度原位测试系统，研制出界面剪切强度有限元分析软件并探讨了影响界面剪应力分析的因素，提出了改进的微观力学模型；利用该系统，研究了表面经不同改性处理的ＣＦ增强ＰＭＲ—１５聚酰亚胺复合材料界面的微观力学性能，结果表明：有效的表面处理可使ＣＦ／ＰＭＲ—１５界面剪切强度明显提高，并与其宏观性能具有较好的对应趋势。本文还初步探讨了界面破坏的过程。     

细编穿刺C/C 复合材料不同层次界面特性研究

针对细编穿刺C/C 复合材料中单丝/碳基体和纤维束/碳基体不同层次界面结构特性, 分别设计、建立了表征这两个层次界面结合性能的原位顶出仪, 并将界面结合性能与C/C 复合材料层间剪切强度测试进行了比较。利用该原位技术, 研究了不同工艺参数条件下C/C 复合材料这两个层次界面结合性能的关系, 并讨论了它们对C/C 复合材料拉伸强度的影响。表明: 本文中所建立的单纤维和整束纤维顶出技术可用于定量表征C/C 复合材料的不同层次界面粘合性能。不同层次界面结合状态在一定程度上对材料宏观力学性能的影响是不同的。     

WCP/Fe-C 复合材料的界面反应和基体合金化研究

利用离心铸造成型碳化钨颗粒(WCP ) 增强Fe-C 基体合金的复合结构空心圆柱体, 采用宏观测量、X 射线衍射分析和扫描电镜(SEM ) 与能谱(EDS) 的微观分析, 对WCP/Fe-C 界面反应和基体合金化研究。结果表明, 在转速800～ 1200 r/m in离心铸造机上获得了外径167mm , 内径87mm , 高67mm 的空心圆柱体, 其表面层为16～ 20mm 大断面WCP/Fe-C 复合材料, 芯部为Fe-C 基体合金。铸造碳化钨颗粒(CTCP ) 的表面被高温Fe-C 基体合金熔融体部分溶解, 甚至解体; 原位( in2situ) 自生成细小短棒状WC 和W₂C 先共晶析出相; 远离CTCP , 分布游离的细小颗粒状和网状WC、W ₂C、Fe₃W ₃C₂Fe₄W ₂C、Cr₇C₃ 和Fe₃₂C 碳化物。由于CTC_P 部分溶解和扩散作用, 复合结构空心圆柱体的Fe-C合金基体被不同程度合金化。      

SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析

运用基于能量的裂纹偏移准则, 分别建立了两相和三相复合材料基体裂纹偏移/ 穿透的轴对称有限元模型, 考察了纤维体积分数、描述材料特性弹性失配的Dundurs 参数α和相对裂纹扩展长度a_d / a_p 对相对能量释放率Gd / Gp 的影响。将两相复合材料的有限元结果与He 等人的结果进行对比, 进一步考察了三相复合材料界面层厚度和Dundurs 参数α₁ 和α₂ 对G_d / G_p 的影响。分别将碳涂层SiC 纤维增强复合材料SiC/ C/ Ti-6A1-4V 和碳涂层陶瓷基增强复合材料SiC/ C/ SiC 运用于有限元分析中, 结果表明, 所建立的模型能够准确地预测和比较基体裂纹偏移的机理。      

基体合金对石墨/铝复合材料性能的影响

本文研究了不同基体合金(工业纯铝和LY12)对石墨/铝复合材料性能的影响,并初步探讨了其影响机理。结果表明:基体合金严重影响金属基复合材料的界面状态、基体相组织及分布,从而影响到最终复合材料的性能。与纯铝相比,LY12基体使石墨/铝复材料性能大幅度下降。     

颗粒增强复合材料中界面破裂过程数值模拟研究

运用材料真实破裂过程分析RFPA系统,模拟研究了颗粒增强复合材料中的界面破裂过程及其对材料宏观力学性能的影响。所研究的复合材料由基体、颗粒和界面等三相材料单元组成。单元的破裂同时采用拉伸和剪切强度准则进行判断。分别研究了单颗粒和复杂多颗粒分布的情形。模拟结果不仅在应力场分布方面与MARC和ABAQUS等软件的分析结果一致,对于帮助理解颗粒增强复合材料的破坏机理具有重要意义。     

界面剥离钢-混凝土组合结构应力波传播谱元法模拟研究

建立钢-混凝土组合结构截面二维谱元法模型,针对钢-混凝土界面完好以及存在界面剥离时模型在单点激励下弹性应力波场进行模拟分析,探究弹性应力波的传播规律。采用去除混凝土单元的方法反映组合结构中钢板与混凝土之间的界面剥离。通过对比分析表明界面剥离的存在对弹性应力波场以及模型上不同位置的位移响应产生影响。通过改变界面剥离程度,得到测点位移的变化规律。通过模拟,谱元法可以有效模拟钢-混凝土组合结构中弹性波的传播规律,为研究基于应力波测量的钢-混凝土组合结构界面缺陷检测机理提供帮助。     

界面性质对颗粒增强复合材料破坏模式影响的数值模拟分析

运用材料破坏过程分析M FPA2D 系统, 对颗粒增强复合材料的变形、损伤及破坏过程进行了数值模拟分析。主要分析了界面性质对破坏模式的影响。模拟结果表明, 增强颗粒与基体的界面对复合材料的宏观性能有很大影响。在理想界面条件下, 破坏模式以界面附近基体的破裂为主, 在非理想界面(且为弱界面) 条件下, 破坏模式以颗粒与基体的脱粘较为明显。      

非均匀材料破坏过程数值模拟的边界元法研究

用格子模型和统计分布模拟非均匀材料性质的初始分布,针对二维非均匀材料格子模型建立了重复多子域边界元法求解方程。通过把各行子域集成为亚子域,然后对链状排列的亚子域应用域转移矩阵法进行求解。由于使用的域转移矩阵法对内存的要求仅略大于一个亚子域的求解,以及重复多子域法只需要进行一次系数矩阵积分,因而可以大大提高求解的规模和效率。在此基础上,对非均匀脆性材料在简单载荷作用下的破坏过程进行了数值模拟。采用重复多子域法和域转移矩阵法,可以得到子域内高精度的连续应力分布,为进一步研究非均匀材料裂纹萌生、扩展和破坏过程提供了基础。     

混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究

扩展有限元法(theextendedFiniteElementMethod,XFEM)为数值模拟结构裂纹扩展过程提供了一条有效途径。该文介绍了用扩展有限元法对混凝土结构裂纹扩展过程进行数值模拟的实现方法。采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,分析了其求解思路并概括了其求解步骤。通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论。     

界面对复合材料静态及弯曲力学性能影响的分子动力学模拟

选用A g, N i 两块理想金属, 用分子动力学模拟方法研究了以下两种情况下的弯曲过程,进而分析界面对复合材料力学性能的影响: (1) 二者在相距足够远以至于两类原子间无相互作用,不形成界面; (2) 二者迭放一起取向形成界面。通过模拟这两种情况下的静态弛豫和动态弯曲过程, 比较了它们的异同之处。结果表明, 界面的存在对复合材料的力学性能影响很大, 有时甚至起控制作用。     

岩石冲击破坏的流形元与有限元模拟对比分析

流形元是新出现的一种被较为广泛地应用于材料破坏模拟的数值分析方法。为了验证该方法在材料破坏模拟中的有效性,分别利用流形元与有限元两种不同的数值方法对岩石冲击破坏过程进行了模拟分析。模拟结果表明,流形元法对材料破坏的模拟结果更符合实际情况,这主要是由于该方法采用了两种不同的覆盖系统——数学覆盖和物理覆盖,并引入能够客观反映材料裂纹的产生与扩展准则,以及相应的块体运动理论。流形元的出现有望对材料破坏模拟开创出一条新的途径。     

基于扩展有限元方法的Carsington坝失稳过程分析

Carsington 坝失稳是坝工界的经典案例,已有研究并未分析坝体下伏黄粘土夹层的主动牵引机制对其失稳的作用,且有关模拟研究基于常规有限元法,对于剪切带等不连续位移场的描述不够直观,更无法探讨剪切带形成过程及土体力学行为的演化.该文应用自主开发的基于扩展有限元方法的土中剪切带扩展过程模拟系统进行了Carsington坝的失稳分析,结果表明:该模拟系统较好地追踪了Carsington坝心墙中的剪切带路径和形成过程,揭示了Carsington 坝的失稳机理;验证了所构造的模拟系统在复杂结构和复杂受力条件下的适用性.     

数值模拟设计复合材料的固化工艺

在固化过程中复合材料的内部过程很复杂,科学地设计操作工艺需研究过程机理本文阐述了复合材料固化过程的机理,并根据机理模型编制了电算程序,通过数值计算模拟热压条件下复合材料的固化过程,设计出最佳工艺.     

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法。这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向) 准则, 其中三维算法还采用了两种强度判据, 即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据。对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验, 破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处。实验结果表明, 飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近, 证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高, 而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间, 说明三维算法的精度更高。