不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.     

缝合泡沫夹层复合材料平压性能及数值模拟

针对泡沫夹层复合材料在压力作用下因易开裂导致性能下降的情况,使用碳纤维作为缝线,对碳纤维布和泡沫缝合制备了缝合泡沫夹层复合材料,探究其在受到平压载荷作用下的平压性能和平压破坏模式;利用ABAQUS模拟软件进行缝合泡沫夹层复合材料建模,并进行静力学分析;使用桁架单元模拟纤维树脂柱的受力情况,基于Hasin失效准则模拟上下纤维面板,使用三维实体单元模拟泡沫夹芯。研究结果表明：缝合夹层复合材料实验和模拟分析得到的压缩强度和压缩模量误差分别为13.74%和16.09%,说明该模型具有一定的可信度和可用性;在平压载荷作用下,缝合泡沫夹层复合材料的主要承力部分是纤维树脂柱,并且可以观察到纤维树脂柱与纤维面板处出现一定的应力集中现象;缝合泡沫夹层复合材料的破坏主要为纤维柱与面板连接处之间的断裂失效,泡沫压缩变形过程实验与模拟也较为相符。     

FRP/金属混杂层合板低速冲击损伤数值分析

在三维动态有限元分析的基础上，对层合板的低速冲击损伤进行数值模拟，研究其在受载过程中的应力状态，并用Chang-Chang面内失效准则和分层判据进行损伤分析．对损伤的单元进行相应的刚度退化和分层形状、面积的模拟计算．通过具体算例以及与文献中的结果相比较．验证了模型的可靠性和方法的有效性，并对比了纤维增强金属层合板（FRMLs）与传统纤维增强复合材料层合板（FRP）的冲击损伤面积．说明FRMLs具有较好的抗冲击性能。     

复合材料层合板低速冲击渐进损伤模型

建立了一种针对低速冲击下碳纤维增强复合材料层合板动态力学响应和损伤扩展的渐进损伤模型。该模型应用Hashin和Hou失效准则来预测层内损伤(纤维和基体损伤)的萌生;结合等效位移法的线性退化方案来模拟损伤的发展;采用双线性牵引力-分离法则的内聚区模型来预测层间分层损伤。编写了相应的用户材料子程序VUMAT,并在有限元软件ABAQUS中完成了25 J能量下复合材料层合板低速冲击的数值仿真分析。通过有限元模型预测得到的接触力-时间曲线、接触力-中心位移曲线、层间分层的损伤分布均与试验结果较好吻合,验证了该模型的有效性。根据仿真结果,分析了纤维和基体的损伤情况,讨论了分层损伤的扩展规律。     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

爆炸荷载作用下基于抗剪承载力的钢柱失效准则

为实现爆炸荷载作用下钢柱快速损伤评估及失效分析,作者分别基于壳单元的精细化模型和梁-柱纤维模型,研究了爆炸荷载作用下钢柱的动态响应;通过位移、剩余竖向承载力和钢柱最大剪力指标,对钢柱进行损伤评估和失效分析.在钢柱剩余承载力基础上提出了基于抗剪承载力的钢柱失效破坏准则,并通过数值模拟对其进行验证.结果表明:基于抗剪承载力的钢柱失效准则能较为准确地预测钢柱在爆炸荷载作用的剪切破坏及由此导致的钢柱剩余承载能力的丧失;梁-柱纤维模型可用于钢柱的损伤失效分析,比精细化模型的计算效率高,但分析结果偏于安全.     

含温湿效应的复合材料风机叶片的破坏

针对复合材料风机叶片在温湿环境下的早期失效问题,采用有限元数值模拟方法研究了考虑了风载荷和温湿载荷共同作用下叶片的逐步破坏行为和破坏机理。将风机叶片简化为悬臂梁模型,进行了三维建模,对蒙皮、腹板和主梁均采用板壳单元进行离散,分别讨论了在不同温度及湿度条件下,环境因素对复合材料风机叶片材料性能的影响,并分析了叶片刚度、强度的变化及破坏情况。同时引入基于应变分布的三维Hashin失效准则,利用有限元分析软件ABAQUS对风机叶片进行刚度和破坏分析,讨论了风载下复合材料风机叶片的逐步破坏行为以及温湿载荷对风机叶片强度和刚度的影响。分析结果表明,高温湿润的环境对复合材料风机叶片材料性能影响很大,导致叶片的强度和刚度均有不同程度的降低。     

纤维分布与界面强度对复合材料横向压缩性能影响分析

建立了纤维随机分布代表性体积单元微观力学模型,采用随机扩张算法生成纤维随机分布模型,微观有限元模型中采用内聚力单元和Drucker-Prager弹塑性准则分别对界面和基体的力学行为进行描述,分析研究了纤维分布形式与界面强度对复合材料横向压缩性能的影响。结果表明纤维随机分布是引起复合材料横向压缩强度不稳定的一个因素;基体剪切塑性损伤而不是界面损伤在复合材料横向压缩破坏过程中起主导作用,因而采用无界面单元模型可以简化建模、不需要考虑界面强度取值,并能很好地预测复合材料横向压缩强度与压缩损伤破坏形貌。     

纤维增强复合材料应变率效应的数值仿真

为研究应变率效应对纤维增强复合材料仿真精度的影响,引入动态增强因子(DIF)对复合材料模量和强度进行修正,结合改进的Hashin失效准则,建立了可考虑应变率效应的复合材料三维渐进性损伤本构模型。将该模型通过VUMAT子程序嵌入Abaqus软件中,进行弹丸侵彻玻璃纤维增强复合材料层合板仿真,将仿真结果分别与试验结果和不考虑应变率效应的本构模型仿真结果进行了对比。结果表明:本文建立的含有应变率的本构模型,能较准确地模拟弹丸侵彻层合板过程;在1.8、3 m/s两种弹丸侵彻速度下,含应变率与不含应变率的仿真结果相比,精确度分别提高了14.1%、22.7%;对于不考虑应变率的本构模型,仿真误差随侵彻速度的增大而增加,由1.8 m/s的28.7%增大到3 m/s的36.9%,考虑应变率的本构模型仿真误差比较稳定。     

冲击荷载作用下混凝土抗压强度的细观力学数值模拟

为研究混凝土在冲击荷载作用下的细观破坏机制,将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的黏结带所构成的三相复合材料,根据瓦拉文公式确定代表骨料的颗粒数,采用蒙特卡罗方法生成随机骨料模型.采用双折线损伤模型描述混凝土细观单元的损伤退化.利用非线性有限元方法对湿筛混凝土立方体小试件和全级配混凝土立方体大试件在冲击荷载作用下的细观破坏机制进行数值模拟,给出了试件的应力-应变曲线和动态抗压强度.研究结果表明,数值模拟所得的结果与实验结果表现出较好的一致性.     

Effect of twisted fiber on flexural property and microstructure of woven fabric reinforced composite

Two kinds of 2.5D deep straight-joint structure ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) (twisted and original) fibers woven fabric reinforced epoxy resin composites were prepared by the hand lay-up method. Subsequently, the flexural property, microstructures, and failure mechanisms of the composites were also investigated. The average flexural strength of 2.5D deep bend-joint structure twisted fiber and original fiber woven fabric composites were 176.66 MPa and 204.45 MPa, respectively. The results of the characteristics indicated that the twist was the main factor which affected the flexural performance. Flexural property vitally relied on the strength of the fiber itself. Twist decreased the strength of the yarns, which meant that when the mechanical property of woven fabric reinforced composites was improved, the yarns must be kept straight in the woven fabric. The study are extremely valuable to guide the improvement of the mechanical property of the woven fabric reinforced composites.     

碳布增强木质层合板的有限元渐进损伤分析

为了提高复合材料的性能,以碳布增强木质层合板为样板,建立了有限元渐进损伤分析模型.采用Hashin失效准则和BK失效准则作为失效判断依据,并采用退化方法进行了试验分析.利用ABAQUS/Explicit软件进行参数化建模,并对层合板在低速冲击作用下的损伤进行预测分析.结果表明,与0铺层型层合板的分层面积相比,碳布增强型木质层合板的分层面积约减小了50%.冲击接触力的试验值和计算值吻合良好,验证了退化模型的可行性与有限元模型的有效性.     

Compressive testing and failure analysis of three-dimensionally reinforced carbon/carbon composites

It is important to reveal the performance of carbon/carbon composites subjected to complex loading,which can provide a basis for developing the failure laws of carbon/carbon composites.The uniaxial and...     

乳化沥青对PVA纤维增强水泥基复合材料韧性的影响

为了研究乳化沥青对纤维增强水泥基复合材料韧性的影响,采用乳化沥青制备PVA纤维增强水泥基复合材料,对其强度和韧性性能进行测试,并采用SEM对试件断面微观形貌进行了分析。结果表明,加入乳化沥青以后,复合材料的抗压强度和抗折强度迅速下降,而韧性性能迅速上升;纤维的破坏模式由拉断破坏变成拔出破坏,随之在试件底部出现了多缝开裂;当乳化沥青用量为10%时,试件出现了明显应变硬化现象;当乳化沥青用量过大时,韧性反而下降。此外,结合微观力学原理,对乳化沥青的增韧机理进行了阐述。     

考虑非线性剪切效应的钢筋混凝土柱模型化方法及应用

采用纤维模型梁柱单元和与之串联的零长度单元,模拟柱的弯曲机制和剪切机制。利用OpenSees提供的Limit State Material和Shear Limit Curve材料模型,定义钢筋混凝土柱的非线性剪切效应及其与弯曲效应的耦合。通过与不同学者的试验结果比较,验证了该方法的可靠性。最后,对笔者完成的原位推覆试验的一榀平面框架进行了Pushover分析。结果表明,考虑非线性剪切效应的模型化方法能较好地模拟钢筋混凝土柱抗剪承载力和刚度的退化现象,传统的纤维模型梁柱单元难以反映配箍不足的钢筋混凝土柱的弯剪破坏机制。该方法可用于存在抗剪能力缺陷的框架结构的非线性分析。     

Mechanical behavior and microstructure characterization of 3D stitched quartz fibers-reinforced silica composites

The mechanical properties of silica material in the monolithic form are ;far from acceptable levels. In this paper, 3D stitched quartz preform was used for the fiber reinforcement, and quartz fibers- reinforced silica composites were prepared by the silica sol-infiltration-sintering method. The density of the composite was up to 1.71 g/cm3 after 10 infiltration-sintering cycles. The flexural strength and the in-plane shear strength were 61.7 MPa and 20.3 MPa, respectively. The flexural stress-deflection curve exhibited mostly nonlinear behavior, which was different from that of monolithic ceramics. Because of the existence of the fiber in Z axis direction, shearing property between the different layers of 3D stitched composites were greatly enhanced. Toughness effect of the 3D stitched quartz preform was conspicuous. The as-fabricated composites showed non-catastronhic failure behavior resulting from weak fiber/matrix interface.     

不同尺度纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能

为研究不同尺度纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能,对单掺和复掺碳酸钙晶须、聚乙烯醇（PVA）纤维的水泥基材料分别进行电通量试验、电镜扫描观测及基本力学性能试验,分析不同纤维尺度、掺量及复合比例对水泥基材料抗氯离子渗透性能和基本力学性能的影响规律,并基于试验结果给出了多纤维复合增强水泥基材料的氯离子侵蚀深度计算模型。结果表明,不同尺度纤维可在不同结构层次上发挥对水泥基材料的增强作用,使得多纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透性能明显优于单一纤维增强水泥基材料;多纤维复合材料的抗压强度与氯离子侵蚀深度及电通量大致呈反比例关系;当复合材料的抗压强度提高13.6%时,其氯离子侵蚀深度和总电通量则分别降低39.1%和44.7%;建立的氯离子侵蚀深度计算模型,可用于多纤维复合增强水泥基材料的抗氯离子渗透和侵蚀性能评估。     

纤维素纤维及混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能

为了研究不同纤维对混凝土冲击性能的影响,对天然纤维素纤维、钢纤维及混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能进行了系统的试验研究;采用数理统计方法对其初裂冲击次数及破坏冲击次数进行了分析.试验结果表明:纤维素纤维对改善混凝土的初裂冲击性能效果显著,而钢纤维对改善带裂缝混凝土结构的冲击性能效果良好.纤维素纤维掺量为1.2kg/m~3时,纤维混凝土的初裂冲击次数与钢纤维掺量为64kg/m~3时相当,比素混凝土提高了2.4倍;掺量为78 kg/m~3的钢纤维和掺量为1.0 kg/m~3的纤维素纤维混掺时,混掺纤维混凝土的破坏冲击次数是素混凝土的8.1倍.纤维素纤维与钢纤维混杂使用时,可充分发挥各种纤维的优势,显著改善混凝土的抗弯冲击性能。     

Processing and performance of 2D fused-silica fiber reinforced porous Si_3N_4 matrix composites

Two-dimension(2D)fused-silica fiber reinforced porous silicon nitride matrix composites were fabricated using slurry impregnation and cyclic infiltration with colloidal silica sol.The microstructure and fracture surface were characterized by SEM,the mechanical behavior was investigated by three-point bending test,and the dielectric constant was also measured by impedance analy- sis.The microstructure showed that the fiber and the matrix had a physical bonding,forming a clearance interface.The mechanical behavior suggested that the porous matrix acted as crack deflection,and the fracture surface had a lot of fiber pull-out.However,the interlaminar shear strength was not so good.The dielectric constant of the composites at room temperature was about 2.8-3.1.The relatively low dielectric constant and non-catastrophic failure indicated the potential application in the radome materials field.     

Processing and performance of 2D fused-silica fiber reinforced porous Si3N4 matrix composites

Two-dimension （2D） fused-silica fiber reinforced porous silicon nitride matrix composites were fabricated using slurry impregnation and cyclic infiltration with colloidal silica sol. The microstructure and fracture surface were characterized by SEM, the mechanical behavior was investigated by three-point bending test, and the dielectric constant was also measured by impedance analysis. The microstructure showed that the fiber and the matrix had a physical bonding, forming a clearance interface. The mechanical behavior suggested that the porous matrix acted as crack deflection, and the fracture surface had a lot of fiber pull-out. However, the interlaminar shear strength was not so good. The dielectric constant of the composites at room temperature was about 2.8-3.1. The relatively low dielectric constant and non-catastrophic failure indicated the potential application in the radome materials field. 2008 University of Science and Technology Beijing. All rights reserved.