短纤维增强金属基复合材料应力分布的剪切滞后分析

使用弹性理论和剪切滞后分析,推导出了基体和纤维应力场分布表达式,研究了纤维体积分数、纤维长径比和基体屈服强度等对应力分布和应力传递的影响。研究表明,基体和纤维应力分布及基体的塑性行为具有明显的不均匀性,基体与纤维之间存在明显的应力传递和应变分配。     

超高分子量聚乙烯架桥纤维与裂缝的交互微观力学

使用拉曼光谱研究了架桥纤维与裂缝微观力学,以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为例,将纤维搭桥试样进行微拉伸试验,着重分析架桥纤维的止裂作用和架桥纤维/环氧树脂界面的应力分布,并对不同位置架桥试样的裂缝扩展速度和应力分布进行分析,并进一步运用剪切滞后模型,对架桥纤维在不同拉伸载荷下的应力分布进行了拟合分析,结果表明:架桥纤维能够分散部分外载应力,对于裂纹扩展具有显著的止裂作用。在低于UHMWPE纤维最大应变拉伸时,发现在裂缝中心位置处架桥纤维所承受的应力最大,其应力不超过2GPa,而基体树脂的应力可达到12GPa,架桥纤维/基体界面的应力传递达不到100%。以UHMWPE为架桥的应力传递模型呈"正抛物线"型,应力分布存在于粘结区、脱粘区和架桥区。     

杨木纤维/聚乙烯复合材料拉伸性能微观力学模型

制备了不同杨木纤维含量的杨木纤维/聚乙烯复合材料,利用Hirsch模型、Kelly-Tyson模型和Bowyer-Bader模型对杨木纤维/聚乙烯复合材料的微观力学进行建模,通过对杨木纤维/聚乙烯复合材料及塑料基体的拉伸应力-应变曲线和杨木纤维长度分布的研究,计算得到杨木纤维在聚乙烯基体中的取向系数、界面剪切强度和本征...     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件, 考虑纤维的编织结构和失效机理, 研究了三维机织碳/碳化硅(C/SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程. 材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性. 材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂, 界面脱粘和纤维断裂, 其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素. 基于连续介质损伤力学分析方法, 提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述.     

形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为

应用热粘弹性理论和Voigt混合律,在变温场中针对马氏体逆相变过程建立了NiTi形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的应力-应变关系,在逆相变过程和基体呈现热粘弹态阶段,由于基体松弛其模量减小,在跃阶拉应力的作用下,复合材料的压缩应变迅速增大,纤维回复应力先增大后减小;在跃阶拉应变的作用下,复合材料的应力增加先变缓然后加快直至稳定,较高的温度和材料参数对NiTi纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为和纤维的作动性能有明显的影响.     

复合材料多层板壳在非线性弹性失稳时的本构关系

在研究复合材料的多层、夹层和加筋板壳的非线性弹性和塑性失稳问题时,需要用到失稳前的应力与应变之间和失稳时的应力增量与应变增量之间的非线性关系。复合材料在纤维断裂和基体开裂以前的物理非线性,主要是由基体引起的。本文对非线性弹性和处于主动塑性变形阶段的各向同性基体,采用小弹塑性变形理论,导得了应力与应变之间的各向同性非线性关系和应力增量与应变增量之间的各向异性非线性关系。假定纤维是线性弹性的。用复合材料的复合定律,求得了单向增强纤维复合材料层片的应力与应变之间和应力增量与应变增量之间的非线性关系。     

不同温度和应变率下Wf/BMG的力学性能

本文对纤维体积百分含量(Vf)为60%的钨丝增强Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5大块非晶基体复合材料(Wt/BMG)的力学性能进行了试验研究,测得该材料在77K到473K温度变化范围内的动静态应力应变曲线.发现其流动应力具有明显的正应变率敏感性;随着试验环境温度的升高,材料的弹性模量、屈服应力不断降低,材料的最终塑性应变值则呈升高趋势;Wf/BMG的断裂模式主要为剪切和纵向劈裂及二者的复合,具体形式受钨丝和基体界面的结合强度影响;钨丝的加入限制剪切带的传播,在界面处形成多条剪切带是复合材料塑性提高的主要原因;Wf/BMG的屈服与基体中由于绝热加热降低粘性而形成的剪切带有关,环境温度和非晶基体玻璃转变温度之差则直接影响剪切带的生成,使得Wf/BMG的屈服极限具有一定的温度敏感性.     

碳纳米管复合材料的应力分析

采用三相同轴柱壳剪切滞后模型,分析含有界面层的碳纳米管复合材料中的应力场、饱和应力和应力传递效率以及碳纳米管的有效长度。碳纳米管复合材料的界面层厚度与碳纳米管直径尺度（0.1~100nm）相当,在进行应力分析时应该考虑界面层的影响。分析表明:界面层的存在以及其厚度的增大都明显地降低应力传递效率和纤维的饱和应力,但增大了碳纳米管纤维的有效长度。此外碳纳米管的长径比较小时,对应力传递效率和碳纳米管有效长度均有较明显的影响。      

Effect of fiber fracture and matrix yielding on the distribution of stress in titanium matrix composites

使用三纤维/基体有限元模型研究了纤维失效和基体屈服后钛基复合材料内微区应力分布, 结果表明: 钛基复合材料内纤维失效端面的轴向应力降为0, 承载能力降低, 相邻基体和未失效纤维的承载能力升高;随着纤维体积分数的增大, 失效后应力和失效前应力的比值增大; 当中心纤维断裂时, 纤维体积分数高的复合材料立即失效, 且失效形式为共面失效; 对于纤维体积分数低的复合材料, 基体屈服对纤维与基体之间的载荷传递有重要的影响.     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题。假设纤维与基体的界面为非理想的，文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下，界面相性态对复合材料的应力传宾影响，然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况。     

短纤维增强金属基复合材料的热残留应力及在拉伸和压缩载荷作用下的应力分布

发展了文献[1]中提出的变形模型, 研究了短纤维增强金属基复合材料热残留应力的分布及其对拉伸和压缩载荷下应力分布的影响。研究表明, 在拉伸和压缩载荷下, 热残留应力可导致不对称的应力分布和基体塑性, 热残留应力降低拉伸时的应力传递, 加强压缩时的应力传递。      

Micromechanics analysis of Kevlar-29 aramid fiber and epoxy resin microdroplet composite by Micro-Raman spectroscopy

The effect of geometry on interfacial micromechanical behavior of fiber/matrix microdroplets is investigated by means of the combination of microbond test and Micro-Raman spectroscopy in this paper. Microbond test is usually employed to measure the interfacial properties of fiber/matrix composites. Since the existing method was realized through traditional microscopy technique, the test results may not satisfy those accurate analyses such as geometry influence on interfacial micromechanical behavior of composites. To overcome this problem, Micro-Raman spectroscopy is introduced into the microbond test to detect the distributions of micromechanical properties including fiber axial stress, residual stress, interfacial shear stress and stress transfer length along the interfaces between Kevlar-29 aramid fiber and epoxy resin matrix microdroplets. The obtained experimental results show that axial stress transfer will accelerate and then the shear stress concentration will be enhanced along with an increase in the interfacial edge angle. The study indicates that the geometrical characteristics can affect significantly the stress distributions in the fiber/matrix microdroplets.     

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。      

充分发挥NiTi纤维复合材料功能的一种方法

通常NiTi纤维圆柱体剪滞模型是通过界面传递应力,界面剪应力较大时,界面将产生脱粘.将两端有小垫片的NiTi纤维埋入基体中,构成一种新的NiTi纤维圆柱体剪滞模型,在一定的简化条件下,针对马氏体逆相变过程,对纤维轴应力、界面剪应力的分布及应力传递进行分析.分析结果表明,与通常模型比较,新模型可通过界面和小垫片传递应力,减小界面剪应力峰值,能充分发挥NiTi纤维的作动效应.此外还讨论了小垫片几何尺寸对应力分布及传递的影响.     

湿热环境对碳纳米管复合材料界面应力传递的影响

基于碳纳米管的热膨胀系数及弹性模量分别为温度变化的函数,基体的热、湿膨胀系数及弹性模量分别为温度变化和湿度变化的函数,应用连续介质力学的经典弹性壳理论及传统纤维拉拔模型,分析了湿热环境对碳纳米管复合材料界面应力传递的影响。数值计算表明,湿度、温度的效应及碳纳米管的层数等参数对界面应力的传递均有显著影响。     

基体局部软化对纤维/环氧树脂复合材料力学行为影响的数值分析

聚合物基体的变形局部化在复合材料破坏过程中起着重要作用。采用有限元分析方法, 借助用户材料子程序(UMAT), 描述了具有应变软化特点的高聚物弹塑性的本构关系, 研究了纤维/环氧树脂复合材料在拉伸破坏过程中基体局部变形的演化规律, 分析了基体的局部应变软化对纤维/环氧树脂复合材料应力的影响。结果表明: 纤维的应力分布及基体的塑性变形具有不均匀性; 基体局部变形降低了邻近断点的完好纤维的应力集中程度; 随着纤维间距的增加, 邻近断点的完好纤维的应力集中区域变宽, 而且应力集中程度降低。     

基体特性对D-Al2O3/Al 合金复合材料力学行为的影响

基体行为是短纤维增强金属基复合材料中一个重要的因素。本文将通过实验分析方法和在一定的理论分析模型上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 对基体特性的变化对D-Al₂O₃/Al 合金复合材料力学行为的影响作较为详细的研究, 其中包括基体性能对应力传递、抗拉强度以及断裂机理的影响。研究表明, 基体性能的变化显著影响基体与纤维间的应力传递, 从而对复合材料的抗拉强度和断裂机理产生较大的影响。     

EFFECTS OF CONSTITUENT SCALE ON STRESS TRANSFER AND MATRIX CRACKING

The fundamental aspect of composites is that of stress transfer from the matrix to the fibers, and a number of mechanisms derive from this basic consideration. A previous analysis, although relatively simple and elegant, has a basic flaw, in that it assumes that there is no adhesion between the fiber and the matrix at the fiber ends, leading to the sometimes erronous condition of no stress transfer through those points. In this paper a modified end condition that better describes stress transfer is investigated and applied in determining the development of fiber, matrix and interfacial shear stress distribution in the uncracked, singly cracked and multiple cracked matrix configurations, with emphasis on the effects due to constituent dimensions.