集流体用穿孔箔横向等效弹性模量的研究

为揭示穿孔箔横向等效弹性模量与穿孔箔结构参数(孔隙率、孔形状、孔分布)之间的内在联系,根据均匀化理论,采用有限元分析软件ANSYS对穿孔箔的单位胞元进行模拟与分析,结果发现穿孔箔的横向等效弹性模量主要是由孔隙率决定,孔隙率越多,横向等效弹性模量越小;孔形状、孔分布对横向等效弹性模量也有一定的影响,孔隙率越多,影响越明显。减少孔的横向截面积,有利于穿孔箔横向等效模量的增加。最后通过实验对模拟结果进行验证,结果表明有限元法模拟结果存在一定的误差。     

含固有缺陷复合材料有效弹性性能预报

根据缺陷在复合陶瓷中分布特点,将缺陷简化为刚度为0的椭球夹杂,嵌入到横观各向同性基体中,建立含缺陷复合材料的细观结构模型。应用相互作用直推估计法推导含缺陷胞元的有效刚度,结合刚度体平均化方法,假设胞元空间随机分布,得到复合材料的等效刚度表达式,分析横观各向同性基体中缺陷体积分数、取向和形状对材料等效刚度的影响,并进一步讨论缺陷周围基体各向异性的影响。结果表明,缺陷存在导致材料弹性性能明显降低,在缺陷体积分数较小时,弹性常数对缺陷体积分数更加敏感;缺陷形状对弹性常数有较大影响,当缺陷接近于薄片状时,缺陷厚度对弹性常数影响明显,而缺陷平面形状对弹性常数基本没有影响;当片状缺陷垂直于基体中弹性模量较大的轴时,缺陷对材料有效性能的降低作用更显著,考虑缺陷周围基体各向异性是很有必要的。     

基于均匀化方法的三维正交机织复合材料弹性性能预测

根据三维正交机织复合材料中纤维束的空间几何特征,提出了改进的单胞模型,此模型包含经纬纱正交单胞、接结经单胞与接触单胞3种结构。考虑到各个单胞中的纤维束空间结构与变形特点,对纤维束截面尤其是对挤压处的纤维束进行了合理等效,以达到模型通用和简化计算目的。基于均匀化方法分别求得各单胞弹性常数,进一步运用刚度平均化方法获得三维机织复合材料的工程弹性常数。数值结果与实验结果对比表明新建模型的预测精度较好,且相同纤维体积含量情况下,横向弹性模量随机织角的逐渐增大而增大但纵向弹性模量减小。     

三向正交C/C复合材料弹性性能预测与分析

根据三向正交C/C复合材料的细观结构,建立典型单胞模型,运用均匀化法预测了材料的9个工程弹性常数,与试验值误差较小。采用预测的弹性常数对三向正交C/C复合材料开孔板的拉伸力学行为进行有限元模拟,得到的孔边应变与试验值吻合。讨论了该材料偏轴向弹性性能,分析了组分性能对材料弹性性能的影响。材料主方向拉伸模量主要由纤维控制,剪切模量由基体控制,当偏轴角为45°时,面内剪切模量转为纤维控制。     

基于十四面体模型的开孔泡沫材料弹性模量的有限元分析

利用十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构,并用有限元方法确定开孔泡沫材料的弹性模量。计算中使用相同尺寸的十四面体胞体模型,并考虑两种不同支柱截面（圆截面和Plateau截面）形状对弹性模量计算的影响。此外,通过数值方法研究开孔泡沫材料的弹性模量随模型尺寸的变化规律。同时,讨论边界条件处理对开孔泡沫材料弹性模量计算的影响。结果表明,支柱为Plateau截面形状的模型,其弹性模量明显高十具有圆截面支柱模型的结果。且两种模型的弹性模量均随模型尺度的增加而增加,最终趋于一个稳定值,并与Warren和Kraynik的理论预测较为一致。此外,边界条件对模型刚度的影响随着模型尺度的增加而逐渐减小。     

低密度开孔弹性泡沫材料的非线性拉伸本构关系

文中基于Kelvin十四面体模型,对低密度开孔弹性泡沫材料的拉伸大变形行为进行理论分析。首先,利用对称性条件对模型进行简化,得到易于分析的半支柱模型。然后,利用Elastica弹性挠曲理论,分析单轴拉伸下胞体的力学行为和支柱的变形情况,得到弹性模量、泊松比及非线性拉伸应力—应变曲线。同时,分析截面形状和泡沫材料相对密度的影响。文中所得拉伸弹性性能与Zhu等人在压缩情况下的结果相一致,但拉伸变形曲线特征与压缩时明显不同,却与实验曲线一致。     

开孔弹性泡沫材料拉伸变形过程的数值模拟

为了研究低密度弹性开孔泡沫材料的拉伸力学性能,文中建立具有不同胞体几何特性的泡沫材料随机模型,并用有限元方法模拟该材料的拉伸变形过程.同时,从材料的微结构层次上分析弹性开孔泡沫材料拉伸变形的机制,以及相对密度和胞体几何性质对拉伸非线性力学行为的影响.并且,将拉伸应力-应变曲线与Warren和Kraynik的四面体微结构模型的预测结果进行对比,说明数值模拟较好地反映开孔泡沫材料的拉伸变形特征.     

基于Voronoi模型的钽材料孔隙率与弹性模量辨识

多孔材料的弹性模量辨识,是研究多孔材料力学性能的重要部分。采用三维Voronoi随机分布模型,研究了多孔钽在准静态载荷作用力下的力学性能。建立给定孔密度下的Voronoi随机分布模型,并以梁单元的形式构建有限元模型,通过改变梁单元直径构造同一微结构下的不同孔隙率模型,进行有限元力学分析,辨识不同孔隙率下多孔模型的等效弹性模量。对实验结果数据进行分析,验证所辨识多孔模型等效弹性模量与孔隙率关系,与实验结果一致。     

激光选区熔化制备负泊松比椭圆多孔AlSi10Mg合金性能的数值模拟

将椭圆孔的长/短轴之比、短轴半轴长和初始胞元的边长作为设计参数,提出了一种简化的负泊松比椭圆多孔材料设计方法,通过几何关系建立了材料泊松比与设计参数间的数学模型,基于Gibson-Ashby模型建立了弹性模量与设计参数间的数学模型;通过准静态压缩试验对采用激光选区熔化技术制备的负泊松比椭圆多孔AlSi10Mg合金的泊松比数学模型进行验证,并确定弹性模量数学模型中的常数C。结果表明:采用所建立的泊松比与设计参数数学模型计算得到负泊松比椭圆多孔AlSi10Mg合金的泊松比与试验值相吻合,相对误差在10%~15%;椭圆长/短轴之比、短轴半轴长与泊松比呈负相关,而初始胞元边长与泊松比呈正相关;计算得到泊松比椭圆多孔AlSi10Mg合金弹性模量数学模型中的常数C约为4.123。     

颗粒增强复合材料弹性结构的双尺度有限元分析

颗粒增强方法是实现材料高性能化的重要手段。预测颗粒增强复合材料的细观结构与力学性能的关系是实现材料增强增韧的基础。为更好地分析、设计和优化复合材料,需要引入多尺度计算模型来考察细观结构对宏观力学性能的影响。基于均匀化理论,采用Voronoi有限元法对颗粒增强复合材料进行细观数值模拟,从而预测材料的宏观等效弹性常数,并直接得到材料的细观应力场。在细观尺度,首先假设满足平衡条件的应力场,采用Voronoi应力单元建立余能泛函并得到细观控制方程,最终形成可直接求解的线性代数方程组,从而求得应力系数并得到细观应力场。在宏观尺度,利用商业有限元软件ANSYS来进行宏观结构分析。通过均匀化方法求得弹性模量的宏观平均值,将其输入ANSYS系统即可进行计算,由此把宏细观两个尺度耦合起来,可以对颗粒增强复合材料构成的结构体进行有效的力学分析。     

基于三类单胞模型的开、闭孔泡沫材料弹性性能的有限元分析

在对发泡过程进行假设的基础上,根据泡沫材料微结构的特点,建立开孔和闭孔泡沫材料的简单立方、面心立方和体心立方单胞模型,导出相对密度和胞体结构参数的定量关系.由这三类单胞模型描述的泡沫材料均具有周期性的特点,且单胞还具有结构对称性.文中利用有限元方法,在适当的边界条件下计算整个密度范围内泡沫材料的弹性模量和泊松比,数值拟合模量计算公式.通过与已有的实验资料和理论预测结果的比较,说明有限元数值计算的有效性.     

方形孔构型的周期性多孔材料等效剪切模量及尺寸效应研究

以圆筒扭转力学模型为基础,通过有限元方法求解周期性多孔材料的等效剪切模量并验证其尺寸效应。建立了方形构型的蜂窝几何参数与体胞尺度系数n及材料体分比v的解析关系,结果表明,方形孔构型蜂窝材料的等效剪切模量随体胞尺度系数n的增大而减小;当n→∞时,多孔材料的等效剪切模量趋近于一个恒定值。     

基于均匀化方法的双向铺层层板弹性性能计算及优化设计

基于均匀化方法对双向铺层复合材料层板等效弹性参数进行预估，通过均匀化方法有限元模型的分析，说明对双向铺层弹性参数单胞模型处理是合理的。在预估的等效弹性参数基础上，对其自振频率进行优化设计，结果表明文中方法是可行的。     

周期开孔约束阻尼板的有限元建模与阻尼特性分析

基于均匀化理论提出了一种周期开孔约束阻尼板的有限元建模方法,以提高动力学分析的计算效率.采用8节点实体单元建立粘弹性阻尼胞元的有限元模型,基于均匀化理论对粘弹性阻尼胞元的等效特性进行分析,得到均匀化本构矩阵.通过均匀化分析,周期开孔的粘弹性阻尼层可视为横观各向同性均匀材料,基于此建立周期开孔约束阻尼板的有限元模型.通过算例分析,验证了本文提出的建模方法的正确性.分析了粘弹性阻尼层的剪切模量、粘弹性阻尼层的厚度和开孔率对结构阻尼特性的影响,为周期开孔约束阻尼板在工程中的应用提供了指导.     

颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报

用细观力学的方法对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行研究,把材料简化为三相模型,陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Mori-Tanaka法建立二相胞元的刚度预报模型.结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数.据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定复合材料的平均应变,进而得到复合材料的等效弹性模量和等效泊松比以及等效刚度模量的理论计算公式,并通过对所建模型的分析,确定各参量与陶瓷颗粒含量之间的关系.     

高温发汗润滑多孔材料基体强度的计算模型

基于高温发汗润滑多孔材料基体厚壁均质有序孔结构的特征,以薄壁蜂窝状结构为基础,引入表征其特征参数值入,构建了新的多孔材料强度计算模型,推导出可在较宽参数范围内计算厚壁均质孔材料相对密度和孔隙率对其基体强度影响的表达式;并以金属陶瓷为材料基体骨架,计算了不同孔隙率材料的抗压强度,计算结果与传统多孔陶瓷材料经验公式理论值的一致性表明建立的计算模型具有较宽的工程适应性.在此基础上得出材料弹性模量随孔隙率的增大而减小,且当孔隙率小于0.6时,材料弹性模量减幅较大;材料泊松比随孔隙率的增大而增大,且当孔隙率大于0.4时,泊松比的增幅明显变大.     

点阵板结构固有频率等效模型误差分析

点阵材料是一种新兴的轻质高强的材料，由于其具有多尺度特征，采用离散模型需要对所有板杆进行建模和网格划分，导致频率分析费时。常采用均匀化后的等效模型进行分析。主要对等效模型进行频率分析，讨论点阵材料各参数对频率的影响。以一块四边固支的仅具有面内周期性的点阵板为研究对象，分别使用离散模型和三维周期性材料均匀化等效模型、周期性板结构的均匀化等效模型，开展周期性点阵板结构的固有频率的计算，分别改变点阵板的单胞内部参数、单胞的排布个数、单胞的构型，讨论这些因素对固有频率的影响。进而，以离散模型的结果为基准，对等效模型的求解结果进行误差分析，结果显示针对具有面内周期性的点阵板结构，Mindlin等效板模型预测的固有频率误差较小。     

泡沫金属材料的动力压缩响应

提出的一维质量-弹簧-阻尼单元模型用于计算模拟泡沫金属材料在冲击载荷作用下的动力响应.模型考虑泡沫金属材料微观密度不均匀及胞室流体对动力压缩特性的影响,并分别由单元质量块的密度和阻尼器在压缩过程中产生的应力描述.单元非线性弹簧的应力-应变关系取决于单元泡沫金属材料的压缩特性,包括胞缘弹性屈曲、胞壁或胞室的塑性坍塌及材料压实过程,并服从加、卸载定律.动力平衡方程采用显式积分算法求解.对30 mm×30 mm×100 mm铝泡沫材料块进行冲击模拟计算,结果表明铝泡沫材料的相对密度、密度分布的均匀性、胞室结构、胞室流体及脉冲压力强度、脉冲压力作用周期对泡沫金属在冲击载荷作用下压缩变形、冲击波扩展及能量吸收的影响.     

毛化连接的细观力学分析

采用三维细观有限元模型,研究了复合材料-金属毛化连接区域的力学性能。通过在模型中引入保证单胞边界面的应力和位移周期连续的边界条件,分析了毛刺高度、毛化密度及复合材料铺层顺序对毛化区域弹性力学性能的影响。分析结果表明,毛刺分布密度越大毛化区域弹性模量越大,毛刺高度较小时毛化区域面内弹性模量较大、剪切模量较小,90°铺层比例对毛化区域弹性力学性能影响较大。研究表明,通过参数设计可获得较好的毛化连接属性。     

点阵夹芯圆筒扭转稳定性的参数化分析

针对扭转载荷作用的四面体点阵夹芯圆筒,以基于等质量圆壳结构的性能增强系数为评价指标,利用有限元数值方法,对点阵杆截面形状、圆筒蒙皮厚度、单胞相对密度、单胞数目及单胞构型对结构扭转稳定性的影响进行了参数化分析。结果表明:结构扭转稳定性能受单胞相对密度和蒙皮厚度变化显著影响,但不同截面形状的等截面积实心杆点阵结构的扭转屈曲性能基本相同,包含更多的点阵单胞有利于增强结构扭转稳定性,而较小相对密度时杆长短的点阵单胞夹芯圆筒扭转性能更具优势。计算结果对点阵夹芯圆筒的设计具有指导意义。