双向等轴拉伸载荷下二维编织陶瓷基复合材料的应力-应变行为预测

将二维编织结构简化为(0°/90°)s正交铺层结构。采用含损伤变量的剪滞分析理论,解得双向等轴拉伸载荷下,0°层和90°层开裂后各层的应力分布;基于随机基体裂纹演化理论,随机纤维损伤和最终失效理论,确定了0°层和90°层沿纤维方向的应力-应变关系,以及切线拉伸模量与施加载荷之间的关系;然后,将切线拉伸模量代入正交铺层结构的剪滞分析中,进而预测出二维编织陶瓷基复合材料在双向等轴拉伸载荷下的应力-应变关系。预测结果表明:在双向等轴拉伸载荷下,二维编织陶瓷基复合材料的横向和纵向应力-应变曲线基本相同,与单向加载时的应力-应变曲线相近。     

2D-SiC/SiC复合材料损伤耦合力学行为

基于轴向和45°偏轴加载实验,分别获得2D-SiC/SiC复合材料在单一轴向应力和复合应力状态下纤维束轴向方向上的拉伸、压缩和面内剪切应力-应变行为,计算分析材料在复合应力状态下的损伤耦合力学行为。结果表明,在45°偏轴拉伸和压缩复合应力状态下材料损伤耦合力学行为的起始应力分别约为40MPa和-100MPa。复合应力状态下材料纤维束轴向方向上的拉伸损伤和面内剪切损伤进程间具有相互促进作用,面内剪切损伤对压缩损伤进程具有促进作用,但是压缩应力分量对面内剪切损伤进程具有明显的抑制作用;上述损伤耦合作用随着应力水平的增加而越发显著。由试件断口电镜扫描结果可知,复合应力状态下材料纤维束轴向方向上3个应力分量对材料内部0°/90°和45°3种取向基体裂纹开裂损伤进程的影响作用,是2D-SiC/SiC复合材料产生损伤耦合力学行为的主要细观损伤机制。     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。      

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

三维编织C/SiC复合材料的拉压实验研究

针对三维编织C/SiC复合材料进行了拉伸试验和压缩试验,得到了材料拉伸、压缩的主要力学性能参数、损伤发展情况及破坏规律。从宏观角度比较了在两种载荷下材料弹性性能及强度的区别,得到了一些试验研究结论。结果表明:三维编织C/SiC在拉伸和压缩载荷下的应力-应变曲线有明显的非线性特性;拉伸模量低于压缩模量;拉伸强度高于压缩强度;声发射数据可以用来检测材料内部损伤的发展。      

考虑纤维束弯曲的缎纹织物面内压缩行为分析

基于弹性弯曲波理论分析了应力波在复合材料内部的传播规律,并针对四枚缎纹织物复合材料,进行了准静态和动态验证实验研究。研究表明,在面内压缩载荷作用下,纤维束交织程度越高,材料压缩强度越低,说明织物复合材料的细观结构对其面内力学性能有重要影响。发现准静态载荷作用下试样主要为整体剪切破坏,且剪切断裂发生于加载方向纤维束的弯曲起始段;而动态载荷作用下,试样的主要损伤模式为分层,在应力波的作用下分层损伤沿纤维束间的界面扩展,同时伴随有纤维束弯曲起始段的剪切断裂。     

三维编织SiC/SiC复合材料拉伸和弯曲损伤机制

为了研究三维编织SiC/SiC复合材料损伤机制,开展了室温条件下的单调拉伸和三点弯曲试验。实验前,利用CT扫描手段,明确了三维编织SiC/SiC复合材料试样的编织组织形态。对拉伸和三点弯曲试样的微观分析表明:原生孔洞和微裂纹导致了材料在单调拉伸过程中形成局部应力集中,随着拉伸载荷的增大,基体的横向开裂和纤维束间纵向层间裂纹逐渐演化形成纤维内部裂纹,导致材料最终的脆性断裂失效;在三点弯载荷作用下,表现为剪切、拉压共生的多耦合破坏模式,拉应力一侧首先发生失效,随后在中性面处发生剪切破坏,紧接着失效迅速向上下两侧扩展,直至截面在整个厚度方向发生失效;断口与纤维束的走向相关性很大,裂纹基本上沿着纤维束之间的界面进行扩展,导致最终失效未发生在理论失效位置处。      

损伤形式对三维编织复合材料拉压性能的影响

通过对损伤前后三维编织复合材料试件进行纵向拉伸和压缩实验, 分析了材料的拉、压刚度和强度的变化规律和失效形式。主要讨论了4 种损伤加工方案, 包括沿宽度方向单边切割、沿宽度方向双边切割、沿厚度方向单边切割及沿宽度和厚度方向同时切割。实验结果表明, 宽度方向损伤对拉伸强度、模量和压缩强度影响不大, 压缩模量下降了20 %左右; 厚度方向损伤对纵向拉伸、压缩强度和模量影响较大。编织角20°时, 拉伸、压缩应力-应变曲线接近于线性, 试件的失效方式趋向于脆性破坏; 编织角35°时, 压缩应力-应变曲线表现出一定的非线性。      

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

Development of damage in a 2D woven C/SiC composite under mechanical loading: I. Mechanical characterization

An investigation has been undertaken to determine the damage mechanisms and the associated mechanical response of a 2D reinforced composite of carbon fibers in an SiC CVI-processed matrix subjected to uniaxial tensile and compressive loadings at room temperature. Under tension loading, an extended non-linear stress/strain response was evidenced and related to a multi-stage development of damage involving transverse matrix microcracking, bundle/matrix and inter-bundle debonding as well as thermal residual stress release. This tensile behavior proved to be damageable-elastic with respect to a fictitious thermalstress-free origin of the stress/strain axis lying in the compression domain. In compression, after an initial stage involving closure of the thermal microcracks present from processing, the composite displayed a linear-elastic behavior until failure. The extent of damage over the material was characterized quantitatively at the microscale by the decrease of the average transverse microcrack spacing and at the macroscale by the decrease of both the longitudinal Young's modulus and the in-plane Poisson's ratio.     

乙烯基酯树脂浇铸体的高应变率压缩响应行为

利用电子万能试验机和分离式Hopkinson 压杆研究了乙烯基酯树脂浇铸体在准静态和高应变率下的压缩特性, 考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明: 在准静态加载下(应变率为3.3 ×10 -4 / s～6.6 ×10-3 / s) ,材料呈韧性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高而提高, 失稳应变随应变率的提高而降低; 在高应变率下(应变率为950/ s～5800/ s) , 材料呈脆性破坏, 失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高呈增加趋势, 而失稳应变也随应变率的提高而提高, 这与准静态不同, 表明在高应变率下, 材料发生了“强迫高弹形变”。观察试样失稳和破坏后的形貌可以发现, 试样的破坏在失稳前正应力起主导作用, 失稳后切应力起主导作用, 使试样产生裂纹进而造成宏观破坏; 乙烯基酯树脂内部损伤的演化, 也依赖于应变和应变率。      

高体积分数 SiC P / Al复合材料的拉伸、 压缩与弯曲特性

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC P/ Al)复合材料的拉伸、 压缩和三点弯曲特性进行了实验研究。结果表明 : 高体积分数 SiC P/ Al 复合材料与低体积分数 SiC P/ Al复合材料相比 , 没有明显的线性屈服阶段。进一步的加载2卸载实验表明 , 在外载荷作用下 , 材料宏观上呈现一种类似金属材料的塑性 , 卸载后留有较大的残余应变 , 再次加载时沿上次卸载路线上升 , 而且拉应力导致的残余应变大于压应力。三点弯曲时材料内部产生残余塑性变形的潜力最大 , 切线模量更稳定。宏观断口分析表明 , 金属基体的非均匀分布导致产生局部渐进的微屈服 ,是使材料性能宏观上类似塑性材料的主要原因。制备过程中的残余应力和基体内部的微缺陷是拉应力比压应力产生更大残余应变的主要原因。     

缝合式三维编织C/SiC复合材料拉伸加卸载力学行为

本文通过开展缝合式三维编织C/SiC复合材料的准静态单轴拉伸及循环加卸载试验,研究加卸载行为对复合材料的损伤及材料内部能量耗散的影响。通过对材料的断口分析,探究加卸载对材料破坏强度的影响规律。结果表明,加卸载行为会消耗材料内部的能量,对纤维束与基体之间的界面造成损伤,进而降低材料的承载能力;材料滞回曲线的面积随着卸载点应力的增大而增大;材料的整体失效属于脆性破坏,复合材料断口表现出明显的分层现象,且单轴拉伸时断口相对于循环加卸载更整齐。      

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用ＳＨＰＢ装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。结果表明,岩石在冲击载荷作用了下破坏分为四种类型：压剪破坏,拉应力破坏,拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。     

三维机织复合材料力学性能的各向异性

通过一系列的实验、分析, 客观地评价了4 种不同结构碳/ 环氧3D 层-层正交角联锁机织复合材料沿0°、30°、45°、60°、90°方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量。实验结果表明: 三维机织角联锁复合材料属正交各向异性材料, 各个方向的拉伸、压缩、弯曲强度和模量曲线呈枫叶形, 具有明显的双主轴特性; 4 种不同结构复合材料的各向异性力学性能有差异, 经向力学性能以带衬经的角联锁结构为最佳, 而纬向力学性能以纬密大的角联锁结构为最佳; 三维机织角联锁复合材料具有很强的性能可设计性, 正确选择纤维原料、纤维细度、三维预制件的组织结构和各个纱线组分的排列密度, 即可达到预期的性能指标要求。      

SiCP/ 6061Al 合金复合材料的高温单轴棘轮行为及其时间相关特性

对T6 热处理后的SiC_P / 6061Al 合金复合材料的高温(300 ℃) 单轴应变循环特性和棘轮行为进行了实验研究, 讨论了具有两种颗粒体积分数的复合材料在高温下不同加载条件时的循环软/ 硬化特性和棘轮行为特征。实验研究表明: 颗粒增强金属基复合材料宏观上表现出与金属材料相类似的应变循环特性和棘轮变形规律, 即复合材料在非对称应力循环下也将产生一定的棘轮变形, 并随应力幅值和平均应力的增加而增加; 颗粒的引入使复合材料抵抗棘轮变形的能力增强, 棘轮变形随颗粒体积分数的升高而下降; 在高温下棘轮行为体现出明显的时间相关特性, 即棘轮应变值明显依赖于加载率和峰值保持时间, 并具有明显的蠕变-棘轮交互作用。在对该类复合材料的棘轮行为进行本构描述时必须考虑复合材料的微结构特征、加载条件以及时间效应等的影响。      

Microscale experimental investigation of failure mechanisms in off-axis woven laminates at elevated temperatures

Off-axis woven laminates fabricated from carbon fiber and a high glass transition temperature thermosetting resin were subjected to tensile static and fatigue loading at temperatures ranging from room temperature up to 205 °C. The damage mechanism prevalent to these specimens was investigated by post-mortem examination using a scanning electron microscope. During most of their life fatigue specimens had accumulated minimal damage which consisted of matrix cracks, transverse bundle cracks and intra-ply delamination. Just before failure fiber bundles began to straighten out and rotate towards the loading direction. This behavior led to large elongation and necking of the specimens before fracture. Overall, the matrix-dominated material behavior and fiber reorientation due to the off-axis configuration had a far greater influence on the fracture morphology than the gradual accumulation of damage due to fatigue loading. It was also found that damage formation was strongly influenced by the type of applied loading and the test temperature.