纤维增强复合材料考虑损伤的温度胀缩细观力学模型

采用细观力学方法,建立了纤维增强复合材料（FRC）包含基体微裂纹和纤维/基体脱粘的热胀/冷缩理论模型。模型考虑了基体、界面中不同分布取向的微裂纹在升温和降温过程中张开、闭合情况的差异,及其对复合材料平均热胀/冷缩系数（CTE/CTC）的影响,同时还考虑了细观应力分布不均匀的因素。建立了细观有限元模型对理论模型进行验证。研究发现：复合材料损伤后CTE和CTC不一致,且取决于损伤模式：基体微裂纹损伤使得复合材料的横向CTE高于无损材料,而横向CTC低于无损材料,但对纵向CTE/CTC影响不大;纤维界面脱粘能较明显地减小复合材料的纵向CTC,但对横向CTC的影响可忽略。     

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

平面六节点等参应力奇异单元的精度研究

研究一种平面六节点应力奇异单元的计算精度问题。首先证明该单元具有1/槡r阶奇异性,然后用此单元计算同质材料中的裂纹和双材料界面裂纹的应力强度因子与裂尖应力分布,讨论裂纹尖端奇异单元的尺寸以及在奇异单元与常规单元之间布置一层过渡单元对精度的影响。研究发现,当布置在裂尖的奇异单元边长与裂纹长度的比值在0.1～0.2时,能得到足够精确的解答;而在此范围之外,随奇异单元尺寸进一步增大或减小,精度都会有所下降。对于同质材料中的裂纹以及模量比在10倍之内的双材料界面裂纹,布置过渡单元可以提高精度;而对于模量比大于20倍的界面裂纹,不设置过渡单元的计算结果却与理论解更接近。     

复合材料层合板静态压痕与损伤行为

发展了层合复合材料面内及分层失效模型,模型考虑了横向压剪残余剪切变形和分层残余相对位移。提出一种块体单元包含若干铺层的模型,以减少复合材料逐层分析时的计算量。对一种碳纤/环氧层合复合材料进行了横向压痕试验,测量了不同压力下凹坑的深度,用超声C扫测得损伤面积。用发展的模型在ABAQUS平台上通过用户材料子程序UMAT模拟了上述试验,分析了试验曲线特征点对应的损伤机制,通过与试验结果的对比,验证了本文模型的合理性。     

三维机织管状复合材料力学模型与实验验证EI

对管状结构的三维机织复合材料采用椭圆形纤维束截面假设,提出一种管状结构的单元体划分方式,建立力学模型预测其工程弹性常数.采用分层研究的方法.讨论了弹性模量以及纤维体积含量与圆管半径的关系.自行设计了一套RTM(Resin Transfer Molding)注射装置并研究其成型工艺,制备实验件进行轴向拉伸、压缩和扭转实验,理论预测值和实验值具有良好的一致性,证明力学模型的正确性.     

混杂复合材料泡末夹层结构在某导弹发射箱盖中的应用研究

本文研究了混杂复合材料泡沫夹层结构在某型导弹发射箱盖中的应用,讨论了设计原理、分析方法和制作方法,着重讨论了混杂复合材料的层间强度分析原理和泡沫材料剪切模量的试验测定方法.     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

复合材料疲劳分层的界面单元模型

提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度-荷载循环次数对数(a-log N)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。     

三维机织复合材料的一种梁单元细观力学模型

根据三维机织复合材料中纤维束排列和变形的周期性特点,推导了一种细观梁单元模型。该模型考虑了纤维束的拉 (压) 弯耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布,并得到宏观的力学性能。针对一种典型的三维机织复合材料,首先根据编织参数,确定其细观几何结构,取最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述细观梁单元分析了该段纤维束在面内拉伸荷载下的细观应力分布,计算出平均模量, 并用材料试验和细观实体有限元对本模型进行了检验,结果与本文的预测吻合良好。研究表明,拉、弯耦合效应引起的纤维束中的细观弯曲应力同平均轴向应力相比,不可忽略。      

一种微裂纹摩擦阻尼分析模型

由微裂纹引起的摩擦阻尼普遍存在于各种材料结构中。研究了由微裂纹摩擦引起的能量耗散与摩擦阻尼。建立了包含微裂纹的单胞模型,基于单胞模型建立了包含任意裂纹角度的悬臂梁模型,分析了含有微裂纹的悬臂梁的能量耗散、摩擦阻尼,并与数值仿真结果进行了对比。结果显示,能量耗散、摩擦阻尼都与裂纹的密度有着很大的关系,所建立的理论模型与数值模拟结果有较好的一致性。