有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

随机短纤维增强复合材料弹性模量预测模型

为了研究纤维增强复合材料的力学性能, 借助混合率构造的Reuss-Voigt模型以及三维纤维取向简化模型, 建立了随机短纤维复合材料弹性模量预测模型。利用该模型对玻璃纤维增强尼龙6(PA6)复合材料进行弹性模量预测, 其预测结果与拉伸实验结果误差值小于5%, 表明该预测模型具有较好的准确性。     

基于细观力学的缠绕复合材料弹性模量的预测分析

本文在细观力学模型的基础上,考虑到缠绕工艺,提出一种计算缠绕复合材料三维弹性模量的方法。该方法将代表单元分为层合部分和编织部分。层合部分用经典层合板理论计算刚度矩阵,编织部分采用四胞模型和均一化方法计算刚度矩阵,最后按两部分在代表单元中所占比例,将两部分的刚度矩阵平均化,得到代表单元的刚度矩阵。利用该方法预测了几种材料的弹性模量,并与实验结果对比,结果显示本文所提出的方法能较好地计算缠绕复合材料的弹性模量。     

硬化水泥浆体弹性模量细观力学模型

应用复合材料力学理论和有孔介质力学(Poromechanics)理论建立了一个描述硬化硅酸盐水泥浆体弹性模量的细观力学模型, 将硬化水泥浆体从不同尺度上划分为4个层次, 即C-S-H凝胶、 水泥水化产物、 水泥浆体骨架和水泥浆体, 分别应用不同的细观力学模型予以描述: 将C-S-H视为饱和的有孔介质; 应用Mori-Tanaka模型描述水泥水化产物的弹性性质; 应用三相模型(Three-phase model)模拟水泥浆体骨架的有效弹性模量; 最后, 再次应用Mori-Tanaka模型和有孔介质理论, 计算水泥浆体的排水和不排水弹性模量(Drained and undrained elastic moduli)。该模型所需要的参数为水泥浆体各个组成部分的自身弹性性质, 使用方便。通过预测文献中的实测结果, 证明了该模型的有效性。      

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

纤维缠绕复合材料纤维束形态的细观分析及弹性模量预测

在对纤维缠绕复合材料缠绕图案分析的基础上, 考虑到纤维束的交叠与波动, 提出一种用于计算纤维缠绕复合材料弹性模量的方法。该方法是在纤维缠绕图案中提取一代表单元, 将代表单元分成层板区域和纤维束波动区域。层板区域用经典层板理论计算弹性模量; 纤维束波动区域根据纤维波动的细观图形及走势计算弹性模量。根据层板区域和纤维束波动区域在代表单元中所占的比例, 组合2 个区域的弹性模量以获得代表单元的总体弹性模量。通过测试炭纤维/ 环氧树脂缠绕管在轴向拉伸载荷下的轴向弹性模量及泊松比, 验证了理论计算结果,表明该计算方法能较准确地计算纤维缠绕复合材料的弹性模量, 因此可为这类材料的设计计算提供有益的理论依据。      

复合材料弹性模量的等效微分计算

为计算三维随机短纤维增强复合材料的弹性模量，探讨了如何采用微分等效介质概念。结合应用无限大弹性体中的等效夹杂理论和复合材料弹性模量求解中的自恰方案，建立起计算短纤维增强复合材料弹性模量的微分计算格式。然后通过数值求解非线性耦合微分方程组计算了短纤维增强复合材料的总体弹性模量。     

纤维束增强复合材料的双层次随机扩大临界核模型

针对纤维束增强复合材料, 提出了双层次随机扩大临界核模型。以复合材料制造工艺为基础建立了纤维间距和纤维束中纤维根数的计算模型, 将复合材料中的纤维分为2 个层次: 纤维束和纤维束群, 并提出父核和子核的概念对临界核的构成进行了区分, 用Beyerlein 公式计算纤维束群中纤维束相继失效引起的纤维束的平均应力集中因子, 用Sivasambu 公式来计算纤维束中纤维相继断裂造成的纤维的应力集中因子。然后, 以纤维断裂蔓延的主要模式为基础, 将逐渐增大的无效长度引入纤维束内部, 根据统计学理论推导相应的复合材料破坏概率计算公式。编制了相关程序, 通过该程序分别预测了S 玻纤、E 玻纤、玄武岩纤维无捻单向纤维布增强复合材料试件的拉伸强度。对3 种复合材料板进行了拉伸强度及基体的拉伸和剪切实验, 并对比了预测结果与实验结果。研究结果显示, 直接将实验对象的材料、几何参数代入就能得到与实验结果吻合的预测结果。      

纤维复合材料的损伤韧度设计

文中以裂纹连续扩展的断裂力学方法, 研究单向纤维复合材料的细观损伤演化与韧度计算。用基于有限元的数值方法模拟复合材料的多模式破坏过程, 并计算复合材料在裂纹不同扩展路径下的有效韧度。研究表明界面的两个重要断裂参数(界面断裂能和混合度) 是控制复合材料破坏模式与增韧机理的关键参数。提出了复合材料韧度设计的基本原理。      

水泥基复合材料中倾斜钢纤维细观桥联模型

主要从细观尺度研究水泥基复合材料中倾斜钢纤维的桥联行为.对纤维在基体中的埋入部分采用杆元近似,基体之外的部分,根据其弹性或塑性状态分别作悬臂梁或塑性铰近似,从而简化为两种构形.结合这两种构形和杆元近似,并采用经典的描述轴向行为的Naaman剪滞模型,同时引入纤维的侧向有效承载面积来描述基体局部失效效应,推导了描述高模量倾斜钢纤维桥联行为全过程的解析模型.模型预测的桥联行为与实验有较好的一致性.     

埋入光纤进行复合材料中的应变测量

由于光纤传感器所具有的特点, 把光纤埋入复合材料内部进行应变测量, 从而监测复合材料的性能改变, 是随着智能复合材料结构的研究而发展起来的一项新技术, 本文用弱波导理论的有关结果研究了光纤在受到力作用时, 光纤应变和其中传输光的位相改变之间的关系, 计算了Corning 光纤在轴向应力作用下的应变-位相灵敏度, 为形成干涉型光纤传感器提供理论基础; 同时给出了单向受力情况下的实验验证, 分析了误差原因。      

定量确定纤维织构轴密度分布的矢量法

本文将大幅度减少衍射极图测试数目的织构分析矢量法应用于定量确定纤维织构材料的晶粒取向分布;采用蒙特卡罗方法计算系数矩阵σ_(pn)(hkl)。对立方晶系的研究结果表明,由一张极图甚至一张不完整极图即可准确地构建纤维轴密度分布图。     

短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布及其变形特征

基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素。本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 研究在加载过程中, 不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征。研究表明, 该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响。      

碳纤维(碳毡)/树脂复合吸波材料的研究

分别研究了平铺排布的碳毡和单向排布的碳纤维类吸波复合材料的微波吸收特性。结果表明:单向排布的聚丙烯腈基碳纤维的吸波性能与纤维的排布间距和纤维含量密切相关。本实验条件下可获得有效带宽大于3 GHz,10 dB以下的反射衰减。平铺排布碳毡的吸波性能随碳毡含量的影响较大,含量0.27 wt%时,在8 GHz~18 GHz 频段获得90 %以上的吸收率。     

三维稳定渗流的随机变分原理及有限元法

将渗透系数作为随机场引入泛函变分表达式中,应用小参数摄动法,推导建立了三维稳定渗流的随机变分原理和相应的随机有限元列式.并由此推导得到了水头、水力坡降的均值和方差表达式.为应用随机有限元方法对随机渗流进行分析提供了理论依据.最后,计算了一个典型堤防的水力坡降均值和标准差,分析了水力坡降标准差与渗透系数变异性之间的关系,结果表明此方法程序实施简便,计算效率较高.     

涂层碳纤维增强镁基复合材料

采用液态浸渗方法,使表面带有镍、铜和二氧化硅涂层的碳纤维与金属镁结合,形成C/Mg复合材料.研究发现:镍,铜、二氧化硅涂层均可实现镁液对纤维的润湿,形成复合材料;复合材料形成后,镍和铜涂层均已消失;镍在高温下与碳纤维相容性较差;二氧化硅涂层稳定,对纤维有较好的保护作用,涂层不同,形成了不同的纤维分布状态.     

用电化学方法研究碳纤维增强树脂基复合材料的腐蚀失效行为

尝试用电化学阻抗图谱和循环伏安曲线的方法研究电化学表征参数与复合材料腐蚀程度之间的相关性, 用电化学方法研究了环境因素对碳纤维增强环氧树脂基复合材料内部结构的破坏机理。测试结果显示, 碳纤维本身不会发生电化学反应, 主要破坏机理为溶液离子逐渐渗入复合材料内部, 导致复合材料内部结构受到破坏。用电化学方法可以在线获得复合材料内部溶液离子浓度及溶液离子在复合材料内部的渗透过程, 据此可判断复合材料内部在环境因素作用下的变化。      

炭纤维及其复合材料的吸波性能和吸波机理

炭纤维和炭纤维复合材料在隐身技术中已经得到了广泛应用。通过分析连续炭纤维、短切炭纤维、螺旋形炭纤维、异形截面炭纤维、掺杂改性炭纤维及其复合材料的微波电磁特性和吸波性能,探讨了以上几种炭纤维的吸波机理,其中螺旋形炭纤维和异形截面炭纤维是最有发展前景的两种吸波炭纤维。