纳米颗粒增强金属基复合材料微结构有限元模型研究

综合运用图像处理、几何建模、有限元网格剖分等技术,改进了一种基于SEM照片建立颗粒增强金属基复合材料二维微结构有限元模型的方法,使其能够充分适用于纳米级颗粒增强金属基复合材料。利用改进后的方法建立了原位自生纳米TiB2颗粒增强A356复合材料的微结构有限元模型,并用该模型进行了TiB2/A356复合材料室温单轴拉伸模拟。结果表明,模拟数据与实验数据贴合性较好,误差较小。     

颗粒流体系统Euler/Lagrange模型中自适应三角网格的生成

针对二维颗粒流体系统Euler／Lagrange模型的有限元模拟,建立了三角网格生成的自适应算法。该算法能够根据颗粒分布与颗粒大小自适应地调整网格的疏密程度,使其网格密度在系统边界附近及颗粒边缘附近较大,而在其它地方较小。与此同时,网格的光滑化也提高了网格质量, 从而为颗粒流体系统介观尺度的有限元模拟奠定了基础。     

基于格构模型的岩石类材料开裂数值模拟

采用二维格构模型模拟岩石类材料的开裂过程。格构模型将连续介质离散为由弹性杆或梁单元组成的二维格构网格,单元采用简单的本构关系和破坏准则,单元之间的参数可互有差异,以引入材料的非均质性。在外载作用下对整体网格进行线弹性分析,计算出格构中各单元的局部应力,超过断裂阈值的单元将破坏,材料的破坏过程通过单元的依次破坏来模拟。使用格构模型分析了单轴拉伸破坏和单边切口梁的剪切破坏。数值模拟结果表明,格构模型可作为岩石、混凝土类材料开裂分析的一种有效方法。     

纳米TiO2颗粒弱界面增强树脂基复合材料宏观力学行为有限元模拟

基于蒙特卡罗法, 编写了随机分布颗粒增强复合材料的二维代表体积单元生成程序, 建立了纳米颗粒增强树脂基复合材料的有限元模型, 其中采用双线性内聚力模型描述复合材料弱界面的应力与位移关系。通过纳米TiO₂ 颗粒增强环氧树脂基复合材料应力应变行为模拟结果与文献结果对比, 证明了模型的有效性。讨论了弱界面情况下, TiO₂颗粒质量分数与颗粒尺寸对复合材料宏观有效模量的影响, 并对复合材料弱界面渐进损伤过程进行了非线性分析。结果表明: 随着纳米TiO₂颗粒质量分数增加, 复合材料杨氏模量和断裂延伸率均有所增强, 但材料屈服强度有所降低; 相同颗粒质量分数情况下, 随着颗粒尺寸的增大, 颗粒与基体材料之间界面单元总长度减小, 复合材料断裂延伸率有所下降。     

一种考虑局部颈缩及损伤演化的改进失效准则在铝合金板冲击有限元分析中的应用EI北大核心CSCD

为快速准确分析铝合金结构在不同冲击载荷作用下的损伤断裂行为,提出了一种由局部颈缩准则和损伤演化模型相结合的、参数易于校准且适用于粗网格的改进失效准则。采用Fortran语言将自定义失效准则嵌入到LS-DYNA程序中完成二次开发,实现了改进的失效准则在数值仿真中的应用。通过对比分析九组试验与仿真结果,验证了改进的失效准则的适用性和准确性。研究结果表明,改进的材料失效准则具有较低的网格依赖性,能够很好地预测铝合金板的塑性破坏程度,可为铝合金结构冲击强度分析提供技术支撑。     

短纤维增强复合泡沫弹性性能数值模拟

采用二元模型对短纤维增强复合泡沫(SFRSF)材料进行了简化模拟,考虑了纤维在空间中分布的随机性,并分别采用不同单元类型在不考虑网格匹配的情况下对纤维和基体单独进行网格划分。之后,采用改进的单元嵌入技术(EET)耦合纤维与基体的自由度,并引入杆单元模拟界面相,描述了材料内部纤维与基体的传载机制,从而建立了能反映材料细观结构的有限元数值模型。在此基础上,研究了碳纤维含量和长度以及空心微珠含量和壁厚对SFRSF杨氏模量的影响规律。结果表明,该数值模型对SFRSF杨氏模量的预测与实验值吻合较好。增加碳纤维的含量和纤维长度能够有效提高SFRSF材料的杨氏模量,适当增加空心微珠壁厚一定程度上可以增加其杨氏模量。     

基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究

提出一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法--随机多尺度力学模型分析方法.从描述混凝土材料的细观尺度入手,首先采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后采用材料特征单元尺度法来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各单元网格的力学特性则采用复合材料等效化方法来确定.通...     

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元, 采用细观力学方法描述材料变化的物理属性, 通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵, 并建立了结构的连续梯度有限元模型。通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比, 证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性, 并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律。研究结果表明: 随着网格密度的增加, 梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解, 均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失, 且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大; 属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大; 裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大。     

玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型

针对玻璃微珠/环氧树脂构成的胶结型颗粒复合材料提出了刚架-弹簧-阻尼模型。考虑到环氧树脂基体的阻尼特性,通过动态热机械分析,得到常温低频下环氧树脂的损耗因子,并应用于刚架-弹簧-阻尼模型。采用有限单元分析方法进行数值仿真分析,得到了玻璃微珠/环氧树脂胶结型复合材料损耗因子随玻璃微珠粒径增大的变化规律。结果表明:随着玻璃微珠粒径的增大,颗粒复合材料的刚架-弹簧-阻尼模型单元计算的损耗因子会逐渐增大,且切向损耗因子要比轴向的大;对整体材料而言,刚架-弹簧-阻尼有限元模型计算的损耗因子也会逐渐增大,其中,按照平面正四边形网格模型计算得到的损耗因子要大于平面正六边形网格模型,即颗粒复合材料的孔隙率越大,材料的损耗因子越大。仿真分析结果与实际材料的阻尼变化规律相符,这种模型是可靠的。      

梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元,采用细观力学方法描述材料变化的物理属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵,并建立了结构的连续梯度有限元模型.通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比,证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性,并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律.研究结果表明:随着网格密度的增加,梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解,均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失,且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大;属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大;裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大.     

Identification of interfacial parameters in a particle reinforced metal matrix composite Al6061–10%Al2O3 by hybrid method and genetic algorithm

The mechanical behavior of interfaces between matrix and inclusions in composite materials has a strong influence on their mechanical properties such as the strength and the toughness of these materials. To effectively predict the mechanical behavior and investigate the effects of interface properties on the composites, a novel hybrid/inverse numerical method is proposed in conjunction with experimental measurements of real microstructure. This method is based on a combination of hybrid/inverse analysis, finite element method and an improved genetic algorithm (GA). A non-continuum four-node interface element is adopted to simulate the interface behavior of a metal matrix composite whose displacement field has been measured by experiment. By way of the observed failure occurring on the interface in the experiment, a hybrid/inverse analysis for estimating the four unknown mechanical parameters of the interface is carried out by using an improved GA and the interface element model mentioned. Approximate interfacial parameters obtained from the proposed method can reasonably simulate interfacial failure which is in agreement with that observed experimentally. It is found that the proposed hybrid/inverse method is simple and robust for solving complex interfacial problems in composites.     

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。       

基于分数阶导数的磁流变弹性体参数模型

磁流变弹性体宏观力学行为是基体粘弹性和磁致模量变化的综合反映,建立能够准确模拟其力学特性的参数模型是设计磁流变弹性体装置所必需的。因此,该文利用建立粘弹性材料参数模型的VFD(粘弹性分数阶导数)元件及弹簧元件与表述磁致效应的非线性弹簧元件,建立了磁流变弹性体的磁致粘弹性参数模型,分析了频率、磁场强度和分数阶数对该模型动态性能的影响,结果表明该模型能够反映磁流变弹性体磁致效应对其力学性能的影响,且该模型仅需少量参数就能在较宽频率范围内更好地模拟真实的试验性能。     

A simple finite element model for vibration analyses induced by moving vehicles

This study developed a simple finite element method combining the moving wheel element, spring–damper element, lumped mass and rigid link effect to simulate complicated vehicles. The advantages of this vehicle model are (1) the dynamic matrix equation is symmetric, (2) the theory and formulations are very simple and can be added to a standard dynamic finite element codes easily and (3) very complicated vehicle models can be assembled using the proposed elements as simple as the traditional finite element method. The Fryba's solution of a simply supported beam subjected to a moving two‐axle system was analysed to validate this finite element model. For a number of numerical simulations, the two solutions are almost identical, which means that the proposed finite element model of moving vehicles is considerably accurate. Field measurements were also used to validate this vehicle model through a very complicated finite element analysis, which indicates that the current moving vehicle model can be used to simulate complex problem with acceptable accuracy. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

金属基复合材料热弹塑性变分渐近细观力学模型

基于变分渐近法建立具有周期性微结构的金属基复合材料（MMCs）细观力学模型及相应的增量方程,以准确预测其典型的热弹塑性行为和初始屈服面。利用细、宏观尺度比很小的特点,对单胞变分能量泛函变化进行渐近扩展,计算得到有效瞬时弹塑性刚度矩阵和热应力矩阵;利用迭代均质化及局域化技术模拟MMCs的非线性热弹塑性性能,并通过有限元技术实现相应的数值模型。算例分析表明:该模型能较好地预测MMCs的初始屈服面,并模拟热弹塑性耦合行为,研究成果为MMCs的进一步研究和实际应用提供了技术支撑。      

含金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料时变、非线性和多物理场响应的细观力学模型

为有效模拟新型多功能智能材料——金属芯压电压磁纤维/聚合物基复合材料(MPPF/PMCs)的有效时变、非线性和多物理场响应,基于变分渐近法建立增量形式的细观力学模型。首先分别导出聚合物、压电压磁材料和金属芯的增量本构关系,建立统一的本构方程;以此为基础,推导出能量变化泛函的变分表达式。考虑材料的时变和非线性特征,建立与求解瞬时切线电-磁-力耦合矩阵有关的增量过程;通过最小化近似泛函求解场变量的波动函数,并通过有限元数值实现,从而建立逼近物理和工程真实性的细观力学模型。通过含铝芯压电(BaTiO_3)压磁(CoFe_2O_4)聚合物基复合材料算例表明:构建的模型可用于模拟不同多物理场下MPPF/PMCs的有效响应,可准确捕捉纤维与基体间的应力突变现象。     

Finite element study of the fibre–matrix interface behaviour of [10°/90°] laminated composites under tensile loading

A three-dimensional unit cell has been developed and modelled using the finite element method to investigate the interface failure behaviour of SiCf/Si3N4 composites under tensile loading at room and elevated temperatures. The model idealizes the composite as a regular rectangular array of fibres in 0° and 90° orientations embedded in the matrix. It introduces three-dimensional contact elements between the fibre and the matrix to simulate the interface conditions between the two phases. Slippage between 0° and 90° layers is also considered by introducing another set of contact elements at the layer separation planes. Two interface conditions, namely, infinitely strong and weakly bonded, are considered to establish the correlation with the experimental data. To simulate the weak interface, the fibre and the matrix are assumed to slide over one another with shear stress through the Coulomb mechanism. The same assumption has been adopted for the layer separation planes. A finite element model utilizing these concepts has been developed. Stress–strain behaviour and the local stress distributions at various ambient temperatures within the unit cell, are presented. The investigation has also been extended to include the effects of residual stresses in the finite element model. It is shown that the model yields results that correlated reasonably well with the experimental data. © 1998 Kluwer Academic Publishers     

单向受拉状态下的钢纤维混凝土本构模型

在混凝土中添加随机分布的钢纤维能有效提高混凝土力学性能。为了更好地考虑纤维对单向受拉状态下钢纤维混凝土（SFRC）的增强作用，提出一个钢纤维混凝土的弥散开裂本构模型。在弹性阶段，纤维混凝土被视为简单复合材料，基于两相复合材料理论，对SFRC的弹性刚度矩阵进行修正；在受拉开裂后，混凝土的塑性变形量被视为纤维与混凝土界面脱粘过程中滑移量，利用粘结滑移模型计算纤维在混凝土开裂面上的桥接作用。该文通过有限元软件ABAQUS中子程序二次开发接口Umat，进行Fortran编程，在ABAQUS中实现该本构模型。通过数值模拟结果与受拉实验数据进行对比，验证了该本构模型的准确性。通过数值模拟分析，进一步探究钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响，为钢纤维混凝土在实际的工程中的应用提供建议。     

桩土动力分析中二维接触模型的研究

根据桩土动力相互作用中的接触界面特性,提出了考虑桩土分离、滑移以及桩基提离效应的二维接触模型的本构行为,推导了其相应的单元刚度矩阵,同时引入阻尼成分考虑了桩土动力相互作用中部分能量的耗散问题,并研究了二维接触单元的厚度选择。通过算例分析,得出在中小地震作用下应用接触模型计算得到的上部结构的加速度反应、水平位移反应都较Goodman接触单元有不同程度的降低,且强震作用下的接触模型反映出了桩土动力相互作用中的桩土分离、滑移以及桩基提离效应。