纤维增强复合材料压缩破坏研究进展

综述了纤维增强复合材料压缩破坏机理及影响因素,同时对目前公开发表的几种预测复合材料压缩破坏强度方法进行了介绍与分析。最后,对今后研究动向进行了展望。     

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

碳纤维/环氧单向复合材料的统计强度和破坏准则

本文运用了纤维损伤的随机临界核理论及混合法则 ,对碳纤维 /环氧单向复合材料受纵向拉伸时的统计强度及破坏准则作了理论分析与实验研究     

碳纤维／环氧单向复合材料的统计强度和破坏准则

本文运用了纤维损伤的随机临界核理论及混合法则，对碳纤维／环氧单向复合材料受纵向拉伸时的统计强度及破坏准则作了理论分析与实验研究。     

动态载荷下C/C复合材料的压缩破坏行为

利用电子万能试验机以及Split Hopkinson Compressive Bar(SHPB)测试了2DC/C复合材料在准静态、动态载荷下的压缩性能,结合光学显微镜分析了其在不同应变率下的破坏形貌、讨论了应变率对压缩破坏形貌的影响。结果表明:与准静态(10-4/s)相比,动态载荷下(5×102/s)复合材料的压缩强度提高了55%,压缩刚度提高了66%,具有较强的应变率效应;在准静态载荷下,C/C复合材料沿40°角剪切破坏,断口上炭纤维破坏具有溃散及剪切破坏特征,而在动态载荷下,C/C复合材料破坏成大小不一的碎片,其炭纤维破坏具有劈裂特征。C/C复合材料破坏模式的不同可归结为基体及界面强度的应变率效应。     

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

复合材料层合板准静态横压损伤及其压缩破坏研究

为了考察一种小试件CAI试验方法的有效性,本文作者对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤,以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究,采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量,并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后板的压缩强度进行了比较。结果表明:在横压过程中存在分层损伤起始门槛压缩载荷值或压入深度值,以及横压载荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式等与SACMA的CAI试验标准的情况相异。     

导电硅橡胶复合材料压缩敏感性研究

分别对短切碳纤维和炭黑填充的硅橡胶基导电复合材料试样进行了单次与循环压缩试验,研究两种复合材料的压敏特性及可重复性。测试结果表明,两种导电复合材料都具有较好的压缩敏感性;碳纤维填充时,试样的灵敏度较高,达到250左右,且电阻相对值与应变之间基本呈线性关系;炭黑填充时,试样具有较好的可重复性,但灵敏度较差。通过导电机理研究,对两种导电复合材料不同的导电敏感特性进行了分析。     

基于声发射技术的三维编织复合材料压缩破坏分析

基于声发射(AE)技术研究了不同编织角度的三维四向炭/环氧编织复合材料在压缩载荷作用下的破坏过程。分析了累积声发射能量,事件率,幅值和波形经过快速傅里叶变换后的峰值频率。同时,结合载荷-位移曲线,把破坏过程分成不同的阶段来深入理解编织复合材料的破坏机理。用光学显微镜观测试件的破坏表面。结果表明AE参数能很好地描述三维编织复合材料的破坏过程,而且破坏机理也可用AE特性来识别。     

三维C/C复合材料的压缩性能及破坏机制

采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察和力学性能测定的方法,研究了三维C/C复合材料微观结构形貌,以及材料x向、y向和z 向的压缩性能。结果表明,材料内部缺陷明显,纤维束/基体界面结合较弱,材料z向压缩强度和破坏应变均大于x向和y向,压缩应力-应变曲线开始阶段近似线性,随着载荷的增加,曲线表现出明显的非线性特征。从宏观上考察了材料的压缩破坏机制,材料x向、y向和z向破坏模式均为剪切型破坏,纤维/基体界面结合强度对破坏模式影响明显。     

土工合成材料加筋边坡剪切屈服区特性和破坏模式

用有限元分析方法模拟筋材与土的相互作用,分析加筋边坡的稳定性,研究边坡加筋后剪切屈服区特性和破坏模式的变化,以及加筋层数和筋材拉伸模量的影响。结果表明,加筋后边坡的剪切屈服区和破坏模式发生改变,筋材拉伸模量和加筋密度不同,加筋边坡的破坏形态也不相同。筋材拉伸模量过低时,加筋边坡的剪切屈服区与素土边坡接近,加筋的稳定效果不明显,即便增大加筋密度对边坡安全系数的提高也不大;随着筋材拉伸模量增大,加筋的稳定作用增强,且随加筋层数增加,边坡的剪切屈服区宽度增宽,并向边坡内部和基础发展;对于加筋密度相同的加筋边坡,随着筋材拉伸模量的增大,边坡将呈现三种典型的破坏模式。     

颗粒增强复合材料中界面破裂过程数值模拟研究

运用材料真实破裂过程分析RFPA系统,模拟研究了颗粒增强复合材料中的界面破裂过程及其对材料宏观力学性能的影响。所研究的复合材料由基体、颗粒和界面等三相材料单元组成。单元的破裂同时采用拉伸和剪切强度准则进行判断。分别研究了单颗粒和复杂多颗粒分布的情形。模拟结果不仅在应力场分布方面与MARC和ABAQUS等软件的分析结果一致,对于帮助理解颗粒增强复合材料的破坏机理具有重要意义。     

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。      

短切玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料的压缩性能

研究了短切玻璃纤维（GF）增强硬质聚氨酯泡沫塑料（RRPUF）的压缩性能,探讨了影响RRPUF压缩性能的因素,考察了RRPUF的密度,GF含量GF长度对RRPUF压缩性能的影响,发现RRPUF的压缩模量和压缩强度随含量增加而增加,尽管理论分析认为GF长度有一临界值,超过该临界值再增加GF长度就无意义了,但本工作中,RRPUF的压缩模量随GF长度在3～12mm范围内增加而升高,随RRPUF的密度增加,压缩模量显著增加,文中还介绍了压缩模量计算公式并计算了RRPUF的压缩装置,发现计算值与实测值     

输电杆塔结构体系主要失效模式识别的计算程序研发

对大型复杂结构进行体系可靠性分析时,识别结构体系的失效模式是体系可靠性分析的首要核心工作。针对大型复杂结构体系失效模式识别的难点问题,利用ANSYS软件高效的可视化建模及结构有限元分析求解的功能和MATLAB软件强大的科学计算及易与其他程序接口的特点,基于搜寻结构体系主要失效模式的阶段临界强度分枝--约界法的基本原理,编制了适用于输电杆塔结构体系主要失效模式识别的计算程序,并将其成功应用于某实际工程输电杆塔结构体系主要失效模式的搜寻,结果表明,该程序可以准确高效地进行输电杆塔结构体系主要失效模式的识别,为进行输电杆塔结构体系的可靠度分析奠定了基础。     

侧向约束GFRP筋混凝土板内压缩薄膜效应的研究

当混凝土板受到平面内的侧向约束时, 由于压缩薄膜效应(Compressive Membrane Action-CMA)的存在, 板的极限承载力和工作性能将显著提高. 为了正确认识纤维增强材料(FRP)筋混凝土桥面结构的工作性能, 建立了一组带有横向约束的玻璃纤维增强筋材混凝土板带来分析板内压缩薄膜效应对这一非金属筋材混凝土结构的影响. 试验中发现GFRP筋混凝土板带的工作性能主要受到横向约束刚度和混凝土强度的影响, 而配筋率的影响却不明显. 现行的设计规范(ACI440R-06)由于没有考虑板内压缩薄膜效应的作用严重低估了GFRP筋混凝土板带的承载能力. 因此基于过去对钢筋混凝土桥梁面板的研究, 建立了一套考虑板内压缩薄膜效应的GFRP筋混凝土桥梁面板承载力计算模型. 通过与多个试验结果进行对比后发现, 该理论算法与试验结果有着良好的吻合.     

SiC 颗粒增强铝合金基梯度复合材料的制备与压缩性能研究

把梯度功能材料(FGM ) 的设计思想用于金属基复合材料(MMCs) 的开发之中, 成功地制备出了SiC 颗粒增强铝合金基梯度复合材料。对该材料的组织结构和高温压缩性能进行了实验研究。结果表明: 采用复压烧结粉末冶金工艺能提高材料致密度, 消除梯度层间界面; 高温下材料的真实应力-应变曲线可分为初始硬化和逐渐软化两个阶段, 材料强度主要由基体决定; 高温下变形时, 材料梯度层间界面无相对滑动, 变形情况与梯度分布方式有关。      

三维编织复合材料压缩力学性能的实验研究

通过宏观压缩实验,研究了三维四向编织复合材料的抗压力学性能;同时,为了认识其压缩失效机理,对压缩试件的破坏断口进行了扫描电镜分析。实验结果表明:纵向压缩模量比横向压缩模量大得多;影响纵向压缩力学性能的主要参数是材料的编织角,随编织角的变化,复合材料的纵向压缩破坏机理发生了变化,编织角较小时,材料表现为脆性特征;当编织角大于某个角度,材料的应力-应变曲线趋于非线性,延性增加,更多地表现为塑性破坏特征。此外,横向压缩的破坏机理与纵向压缩明显不同。     

多失效模式典型结构系统可靠性稳健设计方法研究

应用随机摄动技术与二阶矩方法,结合概率网络估算法（Probability Network Evaluation Technique）,讨论了多失效模式下结构系统的可靠性和可靠性灵敏度问题,并进一步对结构系统的可靠性稳健设计进行了分析。获得了不同失效模式间的相关统计特性,应用概率网络估算法确定了系统的代表失效模式,得出了...