利用外方内圆模型预测单向连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量

为了对连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量进行较高精度的解析计算,利用代表性体积单元横截面为正方形基体包裹圆形纤维的外方内圆模型,采用先并联后串联和先串联后并联的两种计算方式进行公式推导,借助于Mathematica软件进行符号积分运算,获得了横向弹性模量的2组解析解,将其中间值作为预测值,给出了预测值的近似公式,并与一组实验数据进行了比较。研究表明,外方内圆模型能较好地反映客观实际,利用Mathematica软件可以解决计算困难的问题;将解析解的中间值作为横向弹性模量的预测值,与一组实验数据比较,显示解析计算的相对误差基本在10%以内;给出的近似公式形式简单,且其曲线能较好地吻合中间值曲线,在纤维体积分数小于75%的范围内,近似公式与中间值公式计算结果之间的最大误差不超过7%。     

含非均匀界面相纤维增强复合材料热传导性能预测的递推公式

研究了含非均匀界面相纤维增强复合材料的宏观等效传热性能。将热导率沿径向连续变化的界面相离散为多个热导率均匀的同心圆柱层,采用广义自洽法和复变函数理论,推导了复合材料宏观等效热导率的解析递推公式,并由递推公式给出了均匀界面相和理想零厚度界面的封闭公式。理想零厚度界面复合材料的热导率与已有理论结果一致。理想零厚度界面和非均匀界面相模型的计算结果与实验数据比较表明,当纤维体积分数较小时,2种模型的预测结果与实验数据吻合均较好,当体积分数较大时,与实验数据相比,非均匀界面相模型的精度大大高于理想零厚度界面模型的精度。本文中给出的递推公式亦可用于计算多涂层纤维增强复合材料的热导率。     

单向纤维复合材料导热性预测

本文利用均匀化方法预测复合材料导热性。采用这一方法给出了单向纤维复合材料沿纤维方向的导热性表达式;将该方法与有限元技术结合得到了在垂直于纤维方向上复合材料导热性数值形式的预测结果。根据这些结果我们用曲线形式给出了材料导热性同各组分体分比间的关系,分析了体分比、纤维截面形状和分布方式、纤维和基体间的相对导热系数等因素对材料整体导热性影响。注意到纤维分布的随机性,本文还研究了纤维相对位置对材料导热性的影响,指出相对位置的变化可导致材料的各向异性导热性。本文指出基体相导热性对材料整体导热性的影响比纤维相的影响更重要。和已有的理论和实验结果的比较说明,本文提出的方法是很有效的。      

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。      

基于多尺度方法的纤维织物增强柔性复合材料拉伸模量预测

以超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维织物增强-聚乙烯（PE）涂层柔性复合材料作为研究对象,首先,通过离子抛光仪对复合材料横截面进行处理;然后,使用SEM和光学显微镜测量复合材料细观结构,获得复合材料细观几何参数;最后,基于均匀化方法和连续介质假设,建立单胞力学模型,计算单胞的拉伸载荷-应变曲线,将理论值与实验值进行比较。结果表明:基于多尺度方法的复合材料单胞力学模型所得拉伸载荷-应变曲线与实验所得曲线能较好吻合,该理论模型能够较好地预报纤维织物增强柔性复合材料的拉伸模量。      

纤维/聚合物泡沫复合材料的增强机理及模量预测

主要概述了纤维/聚合物泡沫复合材料性能的影响因素,总结了纤维的增强机理,讨论并分析了应用Halpin-Kerner模型及其修正公式进行模量预测的可行性及与实测值存在偏差的原因,最后指出采用有限元建模将能考虑到更多的影响因素,模量预测结果更为接近实验结果。     

模压成型的杨木纤维/高密度聚乙烯复合材料蠕变性能和蠕变模型

采用长为850~2 000 μm的杨木纤维(PWF)增强高密度聚乙烯(HDPE), 利用模压成型法制备了PWF/HDPE复合材料, 对其进行了弯曲力学性能测试、无缺口简支梁冲击强度测试、24 h弯曲蠕变-24 h回复性能测试、1 000 h蠕变性能测试及蠕变后残余弯曲力学性能测试, 并利用两参数指数模型、Findley指数模型及四元件Burgers模型拟合蠕变曲线。结果表明: PWF/HDPE复合材料的弯曲强度为21.14 MPa, 弹性模量为2.31 GPa, 无缺口冲击强度为6.77 kJ/m2;24 h形变为0.803 mm, 24 h回复率为78.46%, 蠕变后弯曲强度下降了6.45%, 而弹性模量增加了8.95%;1 000 h形变为0.809 mm, 蠕变后弯曲强度保留了72.35%, 弹性模量增加了10.67%;3种模型中, 四元件Burgers模型拟合PWF/HDPE复合材料蠕变性能的效果较好。      

甘蔗渣纤维增强可降解复合材料的制备与弯曲模量的预测

利用压制成型制备了甘蔗渣纤维增强可降解复合材料,分析了纤维的热分解性能,研究了纤维含有量和纤维长度对材料弯曲模量的影响,利用Cox剪滞法和材料的结构特点,探讨了一种新的修正模型对弯曲模量的预测。实验表明,随着纤维含有量和纤维长度的增加,材料弯曲模量呈递增趋势。扫描电镜的观察显示了甘蔗渣纤维的横断面呈现蜂窝状结构,成型后受到压缩而变得致密,导致了弯曲模量的提高。预测结果表明,导入了纤维压缩率的修正模型的理论计算值与实验值取得了良好一致。     

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。     

基于共焦点椭球构型的复合材料有效性质预测

介绍了共焦点椭球构型,给出了基于该构型对空间任意取向复合材料模量的解析计算公式,并将其同Mori-Tanaka(MT)法、Ponte-Castaneda-Willis (PCW)方法以及Hashin-Shtrikman(HS)界限进行了比较。数值结果显示,基于该构型的预测处于MT法和PCW法所预测的值之间,并且与MT法所预测的值接近。此外,还对纤维不同的角度平均方法对有效性质的影响做了讨论。     

一个计算单向纤维增强复合材料纵向剪切模量的模型

本文给出一个计算单向纤维增强复合材料纵向剪切模量的模型。该模型考虑了纤维截面的纵横比及基质在纤维周围的分布,对所有纵横比的情况都适用。算例表明,纵向剪切模量对纤维截面的纵横比是非常敏感的。通过与实验结果及其它数值结果的对比,说明了该模型是合理的,并具有较好的精度。     

基于细观力学的纤维沥青混凝土有效松弛模量

为了研究纤维沥青混凝土的本构模型,将其视为以沥青混合料为粘弹性基体,纤维为弹性夹杂的两相复合材料。对基于复合材料细观力学理论建立的有效模量表达式进行了修正,提出了纤维沥青混凝土的割线有效松弛模量。以聚酯纤维沥青混凝土为例进行了有效松弛模量的解析分析和模拟蠕变实验的有限元分析,分析结果与试验数据的比较表明,该文提出的割线有效松弛模量模型对于纤维沥青混凝土粘弹性力学行为具有很好的预测能力。应用该模型对路面弯沉变形进行了有限元分析,结果表明:纤维的加入有效的改善了沥青混凝土路面的粘弹性性能。     

界面损伤对颗粒增强复合材料弹性性能的影响

应用细观力学理论研究颗粒增强复合材料界面损伤问题, 分析颗粒界面局部开裂与均匀开裂同时存在时材料弹性性能的改变, 讨论损伤颗粒形状对材料有效弹性模量的影响。所有分析结果均以显式给出, 以便于研究者参考及工程应用。      

N—层涂层夹杂体体复合材料有效模量显示表达

利用Ｇｒｅｅｎ函数及积分方程技术,在夹杂应变均匀的近似假定下,将Ｈｉｌｌ界面条件应用于整个二相体内,从而得到一种可以预报任意椭球夹杂体复合材料有效模量的广义自洽Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法。采用一种逐步渐进的均匀化技术将该模型推广至Ｎ层涂层夹杂问题,得到了Ｎ层涂层夹杂体复合材料的表达。与有的实验和理论结果比较表明,本文模型准确可靠,便于应用。同时本文还证实,采用夹杂均匀应变假定并利用Ｈｉｌｌ界面条件     

纤维增强高分子聚合物基复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力-应变场.对旋转体和非旋转体纤维增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算.分析了纤维的排列分布和纤维的几何形状对有效模量的影响.数值结果表明,轴向杨氏模量对细观结构不敏感,而纤维的形状排列方式对横观有效性能影响是显着的.      

纤维束增强复合材料的横向弹塑性性能研究

利用细观力学模型和有限元法研究纤维束复合材料的横向弹塑性力学性能。假设弹性的纤维束均匀地分布于幂硬化弹塑性基体材料中, 并假设纤维束内的纤维接触是光滑的。通过与单丝纤维复合材料的相应结果比较, 研究了纤维成束对复合材料宏观弹塑性性能的影响。通过对硼/铝复合材料的数值研究表明: 纤维的成束对复合材料的横向弹性刚度影响很小, 而对复合材料的塑性变形和切线刚度有显著的影响。      

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.     

短纤维增强金属基复合材料的多重损伤分析

用细观计算力学的方法分析了短纤维增强金属基复合材料(MMC)多重损伤的相互作用及对拉伸强度的影响。采用唯象的内聚力模型模拟界面的脱粘;G-T模型描述延性基体的损伤。在胞元模型的基础上研究了界面强度、纤维长径比等细观参数对材料损伤模式及强韧性的影响。研究表明,界面较弱时,损伤以界面脱粘为主,界面的强度决定了材料强度;当界面较强时,晶须将发生断裂,材料的最终强度由晶须的强度决定。不同界面强度条件下基体中损伤的分布不同。      

有限变形下含非完美界面复合材料有效模量的界限

导出了有限变形下含非完美界面两相复合材料的上下界限。在微小变形下, 所导出的界限还原成已知的线性情况下的相应结果。数值上预示了非完美界面特性、有限变形对复合材料有效模量的影响规律, 给出了与实际相符合的结果。