陶瓷基复合材料多层界面相应力传递的有限元模拟

针对陶瓷基复合材料（CMCs）多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚层不同的材料参数,并采用轴对称有限元法进行求解,最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳（PyC）界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及（PyC/SiC）和（SiC/PyC）两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出,通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度,可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。     

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

基于VOF/PLIC界面追踪方法的RTM工艺充模过程数值模拟

针对基于Darcy定律的树脂传递模塑(RTM)工艺的充模过程数值模拟的局限性,将纤维预制体内的充填流动作为两相流(树脂相和空气相)处理,在动量方程中考虑了惯性项和粘性项,采用有限体积方法(FVM)离散控制方程,并与VOF/PLIC界面追踪方法相结合,发展了求解树脂在纤维预制体内非稳态流动问题的数值模拟方法.在此基础上开发了RTM工艺的充模过程数值模拟程序,其算例的数值模拟结果与解析解或实验结果吻合良好,验证了此数值模拟方法的有效性和可靠性.     

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

碳化铪改性炭/炭复合材料喉衬的热化学烧蚀

采用小型固体火箭发动机研究了碳化铪(HfC)改性炭/炭复合材料喉衬的热化学烧蚀.借助基于最小自由能原理的NASA-CEA程序计算了燃气组成,借助化学热力学软件FactSage计算了燃气组分与碳、HfC的化学反应.结果表明,燃气中的H2O、CO2和OH是碳和HfC的主要氧化组分,使材料发生热化学烧蚀;纤维-基体界面是烧蚀的薄弱环节,烧蚀沿着界面分别向碳纤维和基体方向推进.热化学作用(氧化)造成纤维变细,顶端呈锥状,基体变薄,呈壳状.     

考虑氧化损伤的陶瓷基复合材料弹性模量多尺度预测模型

分析了化学气相渗透(CVI)工艺制备的陶瓷基复合材料的氧化损伤演化规律,基于基体的微裂纹分布规律及界面、纤维、基体等组分氧化历程,建立了考虑温度、氧化时间影响的纤维和单胞两个尺度的弹性模量预测模型。预测结果表明,碳纤维(C_f)/SiC和SiC纤维(SiC_f)/SiC复合材料的拉伸弹性模量随氧化温度升高和氧化时间的增长,下降趋势越明显。通过复合材料高温氧化后的力学性能试验,验证了弹性性能预测模型的正确性:BN界面的SiC_f/SiC材料在1000℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过2%;PyC界面的C_f/SiC在700℃不同时间氧化后预测结果与试验结果误差不超过7%。      

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。     

含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力场的二重双尺度方法

提出了计算含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力的二重双尺度方法。在性能预报方面,首先对界面相和纤维进行均匀化得到均匀化夹杂,然后对均匀化夹杂和基体进行均匀化得到宏观均匀材料;在应力场描述方面,从宏观均匀场出发,利用双尺度渐近展开技术经过两次应力场传递,依次得到单胞和应力集中区域的应力场。与有限元方法相结合,计算了宏观轴向均匀拉伸载荷条件下含界面相的单向纤维增强复合材料的三维应力场分布。数值结果表明在此载荷条件下最大应力发生在每根纤维的中截面内,靠近纤维与界面相的交界处。讨论了界面相性能对应力场分布的影响,结果显示纤维、界面相与基体力学性能的等差过渡有利于缓解纤维在界面附近的应力集中。      

烧蚀时间对C/C-SiC复合材料高超声速富氧环境烧蚀机制的影响

为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明:在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下,C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段,SiO₂保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散,仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀;烧蚀试验中期,材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用,并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变;烧蚀试验后期,基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。      

界面应力传递重新分析及Cohesive模型参数的确定

在经典剪滞理论中引入双线性cohesive模型表征纤维/基体之间的非理想界面,重新分析了纤维增强复合材料中的应力传递机理,得到了考虑界面因素的应力分布。用上述结果解释了单丝段裂实验过程中的现象,讨论了界面参数和材料性能对应力分布的影响。基于上述理论,建立了用cohesive单元表征界面的模拟单丝段裂实验的三维有限元模型,结合单丝段裂实验结果,提出了一种估测cohesive界面刚度参数的新方法。数值和理论分析结果与实验结果对比,吻合良好,可以为材料的界面性能分析和材料设计提供参考依据。     

模拟纤维增强复合材料的相似子域边界元法

根据夹杂相积分区域的相似性,提出了相似子域边界元法求解方案。把含随机分布夹杂相的固体归结为对一个含有内边界条件复连通域问题的求解,与传统的有限元和边界元分域解法相比,显著地提高了计算效率。应用相似子域边界元法,对含有随机分布圆形和椭圆形夹杂相的固体材料进行了大量数值计算,并把夹杂相与基体材料之间从理想粘结扩展到带有界面层的情况。这些计算为相应纤维增强复合材料宏观等效力学特性研究提供了有效的数值模拟方法。      

考虑纤维/基体界面相的复合材料湿扩散模型

通过类比复合材料湿扩散与热传导的控制方程以及边界条件,以Halpin & Tsai模型为基础,发展了一个考虑了纤维/基体界面相的三相复合材料湿扩散模型,并研究了纤维界面随机损伤对湿扩散的影响。建立了纤维周期排布、随机排布、界面相损伤随机分布3种细观有限元模型。用上述模型分析了单向复合材料横向有效湿扩散系数（TEMDUC）随纤维和界面相体积分数、湿扩散性能以及界面相损伤率变化的规律,理论预测与有限元计算结果一致。研究发现：界面相或纤维相的扩散系数存在一个临界值,当扩散系数小于该临界值时,TEMDUC随纤维体积分数的增大而减小;反之,TEMDUC随纤维体积分数的增大而增大,此临界值的大小与纤维体积含量无关。研究还发现纤维界面损伤率相同的条件下,其分布的随机性对复合材料的有效湿扩散系数影响不大。     

陶瓷基复合材料界面结合强影响断裂过程的有限元研究

提出了纤维增强复合材料断裂有限元模型,该模型既用弹簧单元考虑了基体与纤维之间的分离,又用接触单元考虑了基体与纤维之间的摩擦,较真实地模拟了纤维增强复合材料的断裂过程。通过有限元计算,预测了基体与纤维之间的界面结合强度对整个复合材料断裂模式的影响。还对强弱两种不同基体弹性模量的材料进行进一步的探讨。对比其他文献 , 本文中预测结果与真实情况较为吻合。结果表明,对于纤维增强复合材料,不论是强基体还是弱基体,适中的界面结合强度有助于提高其韧性及整体抗拉强度。       

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀微观结构的影响

详细分析和比较了3D炭／炭复合材料及其添加难熔金属碳化物的试样在三种烧蚀条件下的烧蚀结果、微观结构及形貌。SEM观察结果显示，纤维与基体间的界面优先烧蚀现象对纯炭／炭试样是普遍存在的，相反，对难熔金属碳化物掺杂的炭／炭试样而言，纤维却总是优先被烧蚀；纤维单丝相对基体优先烧蚀越明显，材料宏观烧蚀率越大。对纯炭／炭试样烧蚀表层区的TEM观察结果表明，在烧蚀过程中炭纤维和基体炭均发生明显的微观结构变化，具体表现为炭纤维的微晶尺寸显著长大，而基体炭原有层片区则出现柱状炭。烧蚀测试条件对材料宏观和微观形貌及烧蚀机理都有影响：     

基于内聚力模型的形状记忆合金短纤维增强树脂基复合材料的模拟分析

通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验, 测定了形状记忆合金(SMA)增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布SMA短纤维增强复合材料的拉伸强度。根据蒙特卡罗法和边界条件控制方程, 编写了适于软件调用的单向随机分布短纤维增强复合材料的APDL语言生成程序, 建立数值模拟模型。基于指数型内聚力模型, 对SMA纤维与环氧树脂基体界面分离(即界面脱粘)过程进行了有限元模拟。结果表明: 相同纤维体积分数下, 随着纤维长细比的减小, 复合材料整体弹性模量逐渐降低; 温度驱使SMA纤维弹性模量发生变化, 可以有效提高复合材料整体弹性模量。     

基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法

通用单胞模型常被应用于复合材料细观力学分析。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。本文中对其改进, 建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。该模型可以充分考虑纤维、基体和界面相等细观组分, 并实现单向板的宏-细观多尺度力学分析。通过将组分材料失效判据引入到模型中, 再与经典层合理论相结合, 提出了一种基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法, 并给出了基于试验数据的强度谱定量评测方法。通过与世界失效分析习题的失效理论和试验数据进行对比, 证明本文的预报方法具有很高的计算精度和广泛的普适性。     

三类典型纳米增强相对多尺度复合材料界面黏结性能影响的力学模型

实验研究表明,将纳米增强相引入纤维增强树脂复合材料界面构成多尺度复合材料,能够显著改善复合材料中纤维与基体之间的黏结性能,而且不同形态的纳米相在多尺度复合材料中发挥的增强效应有明显差异。本文基于内聚能模型探讨了三种典型形态的纳米增强相(包括高长径比碳纳米管、球状富勒烯纳米颗粒、片层状氧化石墨烯)对碳纤维与环氧树脂基体之间黏结强度的影响,建立了纳米增强相的形态和数量参数如何影响界面黏结强度的力学模型。利用纤维束复合材料横向拉伸测试方法评估了三种多尺度复合材料的界面黏结性能,通过理论预测结果与实测数据的对比验证了模型的合理性。      

铜铝层状复合材料的研究进展

介绍了铜铝层状复合材料的固-液复合法铸轧工艺特点,并从原子扩散和反应扩散两方面客观地分析了铸轧复合的界面结合机理。阐述了铜铝层状复合材料过渡层中金属间化合物的形成规律和铝基体化学成分变化对界面扩散的影响,从分子动力学模型和耦合模型的角度,综述了数值模拟技术在铜铝层状复合材料研究中的发展现状,提出其发展趋势。     

考虑单向复合材料复杂微观结构的细化单胞模型

通用单胞模型常被应用在复合材料细观力学分析上。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。该文对其改进,建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。利用该模型研究复杂的微观结构包括纤维截面形状/排列方式,界面相材料属性/几何厚度,夹杂/空隙对单向纤维复合材料宏观弹性常数的影响。通过与其他研究方法和试验数据对比证实了该预测模型具有更高的计算效率,计算精度和更广泛的普适性。该文模型子胞划分更细致,克服了原始通用单胞模型无法分析复杂微观结构的不足。有望将损伤力学引入该模型中建立一个有力的分析工具,来进行复合材料结构宏/细观多尺度损伤力学分析。     

固体火箭发动机高速高浓度两相流冲刷条件下4D编织炭/炭复合材料烧蚀特性研究（英文）

为了研究固体火箭发动机内高速高浓度冲刷条件下4D编织炭/炭复合材料的烧蚀行为,本文采用一种特别设计的小型实验发动机开展热试实验研究,分别测量获得了试验后炭/炭材料试件的炭棒和纤维束最大烧蚀率,并细分析了冲刷区域和非冲刷区域的烧蚀形貌和微观结构。结果表明:在核心冲刷区域,炭/炭材料试件表面出现了明显的凹坑;结合数值模拟结果可知当颗粒冲刷速度超过一定值后,机械剥蚀效应会大幅增加,是炭/炭材料烧蚀加剧的主导因素;和通常状态不同,在实验条件下,炭棒比纤维束更易受到两相流侵蚀;在颗粒的冲蚀作用下,炭棒表面形成了大量类陨石坑的孔洞,炭棒中的纤维头部几乎是平的,并且低于周围的基体;另外根据试验后试件的微观形貌,讨论了炭棒和纤维束之间界面的几种破坏模式,分析了界面易于被破坏的原因。