陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命预测

采用细观力学方法建立预测纤维增强陶瓷基复合材料低循环拉—拉疲劳寿命的模型。该模型考虑初始加载到疲劳峰值应力时,基体出现裂纹,纤维/基体界面发生脱粘,部分纤维将发生断裂,并采用统计方法得到初始加载到峰值应力时的纤维失效体积分数;在后续循环过程中,考虑纤维相对基体在界面脱粘区滑移造成界面切应力下降,纤维失效模型与Evans界面磨损模型相结合,得到循环过程中纤维失效体积分数与界面切应力、循环数之间的关系;当纤维失效导致剩余强度下降,并小于疲劳峰值应力时,判断材料失效。采用剩余强度方法对陶瓷基复合材料的S-N曲线进行预测,并将预测的S-N曲线与试验数据进行对比,结果吻合较好。     

细观力学模型预测复合材料横向强度性能研究

为了研究纤维增强复合材料在横向拉压载荷下的力学性能,采用细观力学有限元法与随机扰动法建立了表述复合材料微观结构的纤维随机分布代表性体积单元。对于界面脱粘与基体塑性变形这两种主要的损伤模式,分别用界面内聚力单元模型、基体Drucker-Prager弹塑性模型模拟,并结合塑性失效准则模拟基体的初始损伤与断裂,得出了材料在外载作用下的渐进损伤过程,并与试验结果进行了对比验证。此外,还总结了界面刚度、界面强度、界面断裂能等细观参数对损伤本构的影响规律。     

三维编织复合材料界面应力传递机理的数值分析

针对三维编织复合材料,在纤维/基体界面受力分析的基础上,以小段纤维的结构而建立的拉拔模型为理论依据,采用有限元分析软件对拉拔模型进行分析,得到了纤维/基体界面分别在不同载荷与不同埋入深度时出现的应力、应变和位移变化规律.结果与理论吻合,对于进一步改进三维编织复合材料的工艺流程及提高使用性能有一定的指导作用.     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。     

混杂复合材料拉伸失效过程的两尺度数值模拟

建立了混杂复合材料纤维和纤维束两个尺度的三维有限元模型。纤维尺度模型包含了单种纤维和树脂基体,考虑了纤维、基体、纤维/基体界面等微观失效机理,以此得到了单种纤维复合材料(纤维束)的强度参数;纤维束尺度模型包含了不同种类的纤维束,考虑了纤维束自身及相邻纤维束之间界面的失效。模型中各组分材料的损伤和失效均采用粘聚力模型模拟,反映出材料中裂纹的分布和扩展情况。两级模型的计算均采用显式有限元算法,可考虑纤维断裂时释放出的能量对周围材料的冲击效应。两级模型还分别引入了纤维和纤维束强度参数的Weibull分布,考虑了破坏的随机性。用上述模型模拟了不同混杂比例、不同混杂方式的碳/玻纤维混杂复合材料拉伸失效过程。研究发现碳纤维束体积含量小于等于10%时有明显的二次破坏现象,此时夹芯混杂材料的最大伸长率和拉伸强度略高于分散混杂材料;当碳纤维束体积含量大于10%时,二次破坏不明显,且两种混杂方式对材料的强度影响不大。     

颗粒增强脆性基体复合材料的细观强度模型

用细观力学的方法研究颗粒增强脆性基体复合材料的强度和损伤失效,认为复合材料由随机二相胞元和基体构成,分析基体、颗粒中的局部应力场,根据损伤理论分别得到基体和颗粒的损伤等效应力.在界面脱开成为裂纹源并向基体内扩展的情况下,计算出弧形界面裂纹的能量释放率.最后分别提出基体、颗粒和界面的失效强度准则.结果表明, 复合材料的强度与二相胞元的方位角、颗粒体积含量、界面脱粘角、颗粒直径有关.     

基于逐渐损伤理论的复合材料飞轮转子渐进失效分析

基于三维逐渐损伤理论,采用刚度衰减模型来预测三维复合材料飞轮转子的渐进失效特性,并与已有参考文献进行比对,验证模型的正确性。模型考虑的失效形式主要包括四种:纤维断裂,基体开裂,分层和基纤剪切失效。采用有限元法中的牛顿-拉普森非线性迭代算法进行三维渐进失效分析,分析不同缠绕预应力下飞轮的失效过程,并进行对比分析。计算结果表明,转子的失效首先发生在飞轮的中部,单元发生基体开裂失效,随着转速的提高,单元发生纤维断裂,导致飞轮在外径处发生爆破失效。缠绕过程中对纤维束施加预应力能提高飞轮的初始失效转速。在整个损伤过程中没有出现单元分层失效和剪切失效。     

基于参数映射的玻纤增强PMH结构数值方法

针对传统数值分析方法对于注塑成型的长纤维增强聚合物-金属混杂(Polymer metal hybrid,PMH)结构存在的缺陷,提出一种基于材料参数映射的全新数值仿真方法。采用多重连续介质理论(Multiple continuum theory,MCT),将微观代表性体积元(Representative elemental volume,RVE)中的复合平均参数转化到各组分(纤维增强体和基体)上,通过各组分平均参数变化来预测复合材料的损坏演变和失效,无须建立反映实际的微观机械应力场模型。基于此材料参数模型,将模流分析得到的纤维取向和残余应力信息与材料的拉伸试验数据进行拟合,得到结构分析模型所需的纤维、基体的弹塑性参数,最后将上述参数结果映射到结构分析模型中。该方法很好地将模流分析得到的大量分析数据映射到结构分析模型中,实现更准确、高效的结构数值分析。基于这种方法,对车身典型PMH大梁结构进行研究,探究金属-聚合物界面粘接层粘接强度对残余应力、翘曲收缩变形及在标准工况下对整车各力学性能的影响,研究表明:当界面粘接强度大于20 MPa后,PMH结构件的翘曲收缩变形量趋于一个较小的稳定值,各典型工况下力学性能不会发生折损。     

多层界面相对陶瓷基复合材料横向开裂的影响模拟

针对多层界面相对陶瓷基复合材料(CMCs)横向开裂行为的影响进行了细观有限元模拟。在代表体单元模型中,按照界面相各亚层的实际厚度建立多层界面相几何模型,然后赋予各亚层对应的组分材料参数,建立细观有限元模型。在此基础上,分别采用扩展有限单元法(XFEM)和内聚力界面模型来模拟CMCs中的开裂裂纹和脱粘裂纹,实现复合材料横向开裂过程的模拟。对单层BN界面相和(BN/Si C/BN)、(BN/Si C/BN/Si C/BN)两种多层界面相的模拟结果进行了对比。可以看出,所研究的Si C/Si C复合材料在横向载荷作用下,首先在纤维与界面相之间产生脱粘裂纹,脱粘裂纹扩展后引起外侧基体开裂,最终引起复合材料横向失效;与单层界面相相比,多层界面相将引起不同形态的脱粘裂纹,其横向开裂应变高于单层界面相,开裂位置也存在显著差异。     

基于最终失效强度的层合板结构的鲁棒优化分析

采用有限元方法分析复合材料层合板结构的最终失效强度，并以此对结构进行优化和鲁棒优化分析。层合板结构同时承受面内和面外载荷，每个单层板考虑基体失效和纤维断裂两种失效模式。当某一单层失效后采用比率退化法计算结构新的刚度，然后重新进行结构分析，直到求得结构的最终失效强度。以纤维方向角和层合板厚度作为设计变量，最终失效强度为目标，对结构进行优化。在此基础上，考虑了层合板结构的鲁棒优化分析。