纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的模拟分析

基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法,构造能同时反映纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹扩展的单元(X-VCFEM单元);应用界面力学理论和断裂力学理论,建立界面脱层、界面裂纹扩展方向和基体裂纹扩展的判断准则;结合网格重划分技术,模拟分析了只含有一个夹杂时界面脱层和基体裂纹扩展的过程,并通过与传统有限元计算结果的比较,验证X-VCFEM单元的可靠性和有效性;同时,模拟分析含任意随机分布夹杂的纤维增强复合材料界面脱层和基体裂纹的产生和扩展过程。结果表明：应用该方法模拟复杂多相复合材料裂纹问题具有计算速度快和精度高的优越性。     

纤维增强复合材料中纤维的界面分离

提出了一种解析模型来预测由纤维剥离导致断裂时纤维增强复合材料的极限抗拉强度。解析分析是基于在出现纤维－基质界面处的破裂时断裂力学中的顺从方法。在下面假设的基础上建立模型：基质与纤维都表现弹性，且远离基质－纤维界面的区域处的基质应变等于复合材料应变。此外，假定纤维与基质间存在完全粘合且断面是无附着的。证明了对于存在或不存在界面破裂的情况，可获得纤维增强复合材料的分离应变能量释放率，提供了数值例子，且     

界面性质对颗粒增强复合材料破坏模式影响的数值模拟分析

运用材料破坏过程分析M FPA2D 系统, 对颗粒增强复合材料的变形、损伤及破坏过程进行了数值模拟分析。主要分析了界面性质对破坏模式的影响。模拟结果表明, 增强颗粒与基体的界面对复合材料的宏观性能有很大影响。在理想界面条件下, 破坏模式以界面附近基体的破裂为主, 在非理想界面(且为弱界面) 条件下, 破坏模式以颗粒与基体的脱粘较为明显。      

SiC纤维增强钛合金基复合材料界面热稳定性研究

本文利用扫描电镜和能谱分析手段，对连续SiC纤维增强钛合金基复合材料的界面热稳定性和界面反应机制进行了分析和研究。     

基于迟滞耗散能的纤维增强陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。      

纤维增强聚合物基复合材料界面问题的研究现状与前景

纤维增强聚合物基复合材料是一类性能优越、应用广泛的结构材料,制约其发展的基本问题是界面问题.总结了近10年来在纤维增强聚合物基复合材料界面研究中存在的局限和问题,并对其研究前景和发展方向进行了分析和预测.     

纤维增强聚合物复合材料的三相动态粘弹模型及其界面结构参数

本文以复合材料界面作为中间相(界面相),借助Takayanagi的两相共混模型及Ziege的修正公式,导出了单向纤维增强聚合物复合材料的三相动态粘弹共混模型,得到了界面层的几何结构混合参数(r_i、V_i、λ_L及中间参数B)及界面相的各个动态粘弹性参数.这些参数可以根据复合材料的动态粘弹性实验结果求得,利用上述导出的模型,对玻璃纤维单向增强不饱和聚酯的动态粘弹性进行了试验,结果表明,随着温度的变化,界面相的厚度r_i、体积分数V_i及动态粘弹参数也会发生一定的变化,存在着界面相与基体相之间的相互转变.      

纤维增强复合材料胶接结构疲劳特性研究进展

纤维增强复合材料胶接结构的疲劳特性与纤维、环氧树脂以及胶黏剂的特性紧密相关,为了开展复合材料胶接结构的疲劳性能研究,本文提出适用于复合材料胶接结构的疲劳分析方法,完成复合材料胶接结构的抗疲劳设计,从复合材料层压板、层间以及胶接界面等研究对象的疲劳特性分析方法入手,全面综述了国内外学者在复合材料结构、金属胶接结构以及复合材料胶接结构的疲劳特性及寿命预测方法等方面的研究进展.结果表明:采用S-N曲线拟合得到寿命预测模型对复合材料胶接结构进行寿命预测是行之有效的,以此为依据开发基于物理机制的有限元寿命预测模型可以对疲劳裂纹扩展及疲劳特性进行分析,对于层间损伤和界面损伤,多采用粘聚区模型进行模拟分析,可以为复合材料胶接结构的疲劳失效分析方法的建立提供指导.     

两级载荷作用下复合材料界面的脱粘

研究了两级拉伸疲劳载荷作用下,纤维增强复合材料界面的脱粘。首先基于剪切筒模型,建立了求解纤维与基体应力的控制微分方程,并求得了相关解答。然后借助断裂力学中描述疲劳裂纹扩展的公式和能量耗散率理论,给出了界面脱粘长度、加载次数以及脱粘应力之间的关系式。最后通过实例模拟了两级拉伸疲劳载荷作用下的界面裂纹扩展,分析了界面疲劳裂纹扩展速率、脱粘长度在不同加载方式下的变化规律,以及材料泊松比的变化对界面脱粘的影响。从而为进一步研究工程结构的疲劳破坏和材料的最优设计提供一定的理论依据。      

纤维增强复合材料球阀失效分析

采用扫描电镜和光学显微镜分析技术对树脂基玻璃纤维增强复合材料球阀的失效方式及影响失效的因素作了研究。通过分析，得出纤维增强复合材料裂纹主要沿树脂和纤维的界面扩展，而材料中的孔隙双往往是裂纹的起源，为了增强纤维和树脂的结合强度，对玻璃纤维进行表面处理，并对几种不同表面处理工艺的试样进行试验分析，选择一种较佳的工艺，反馈于球并制造工艺，并压力爆破试验证明新工艺制造的球阀抗压性能和强度有较大的提高。     

树枝状非连续界面对纤维增强复合材料强度的影响

对于含有化合物产生的强界面复合材料,界面结合强度的提高往往使材料的拉伸强度降低.本文研究了这种非连续的复合材料界面对界面裂纹、纤维的强度的影响,分析了非连续界面影响材料强度的机理.     

模拟纤维增强复合材料的相似子域边界元法

根据夹杂相积分区域的相似性,提出了相似子域边界元法求解方案。把含随机分布夹杂相的固体归结为对一个含有内边界条件复连通域问题的求解,与传统的有限元和边界元分域解法相比,显著地提高了计算效率。应用相似子域边界元法,对含有随机分布圆形和椭圆形夹杂相的固体材料进行了大量数值计算,并把夹杂相与基体材料之间从理想粘结扩展到带有界面层的情况。这些计算为相应纤维增强复合材料宏观等效力学特性研究提供了有效的数值模拟方法。      

残余应力与胶粘剂对ARALL层板疲劳裂纹扩展特性的影响

研究了粘剂性质、含量及残余应力状态对纤维－铝合金胶接层板（ＡＲＡＬＬ）疲劳裂纹扩展特性的影响，分析了裂纹扩展过程中的分层状态的变化，结果表明，ＡＲＡＬＬ层板内富胶层的剪切形变和伴随裂纹扩展的分层区越大，即这两方面耗散能量越多，则疲劳裂纺扩展速率越低；胶粘剂含量的影响不明显，给层板施加预应力极大降低了层板的疲劳裂纹扩展速率，其本质在于裂尖在同样的疲劳载荷下实际所受到的有效应力降低。     

管节点表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

本文采用线弹簧单元与ＡＤＩＮＡ程序结合计算了表面裂纹在交变载荷作用下的应力强度因子，首次提出了预埋线弹簧单元法模拟表面裂纹疲劳扩展，并发展了相应的技术和软件。     

A FATIGUE CRACK GROWTH MODEL FOR FIBER-REINFORCED METAL–MATRIX COMPOSITES

A fracture-mechanics based model is proposed for fatigue crack growth in fiber-reinforced metal-matrix composites (MMCs). The model incorporates most of the fracture micromechanisms commonly observed in fiber-reinforced MMCs, including (1) formation of microcracks ahead of the crack tip by either fiber fracture or interface decohesion, (2) interactions of the main crack tip with fibers and microcracks, (3) linkage of the main crack with microcracks, and (4) crack deflection by fibers. Statistical variations of fiber or interface strength are also considered. The essential feature of the model is to compute the changes in the local stress intensity due to various fracture mechanisms; the local stress intensity is then utilized to predict crack growth rate in MMCs via an elastic modulus normalization procedure. Application of the model to predicting crack growth in an alumina fiber Mg-alloy composite is presented.     

无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展

本文提出了用无网格Galerkin法模拟构件在复合变形作用下疲劳裂纹扩展路径并预估其疲劳寿命的方法。该法能够自然模拟疲劳裂纹的扩展,不需要网格重构,避免了裂纹扩展过程中的精度受损。应用无网格数值结果计算了J积分和应力强度因子K_I和K_Ⅱ;按照最大周向应力理论获得了裂纹扩展偏斜角。基于最小应变能密度因子理论,确定了裂纹扩展量Δa,并能获得疲劳载荷的循环周数ΔN。文末对数值模拟结果和实验拟合结果进行了对照。     

界面粘性滑动对纤维复合材料横向剪切变形的影响

研究了扩散控制的界面滑动对纤维复合材料的横向剪切变形行为的影响。基体和纤维为弹性的,而界面滑动速率正比于界面剪应力。作为辅助问题,首先考虑了单根纤维嵌在无限大基体的特殊情形,导出了纤维和基体中随时间变化的应力场。其次,应用平均场方法给出了任意时刻复合材料的总体响应。数值结果表明复合材料的横向剪切模量随着界面滑动的发生将显著减小。     

ON THE USE OF THE STRIP-YIELD MODEL TO PREDICT FATIGUE CRACK GROWTH UNDER IRREGULAR LOADING

Abstract— In this paper, the behaviour of the LEFM strip-yield model proposed by Newman and implemented in the FASTRAN II computer program is analyzed. The capabilities of the model to predict crack growth life under variable amplitude loading is considered. Special attention is paid to the effect of the constraint factors used to consider the stress condition (plane stress to plane strain), the effect of the finite length loading sequence and the effect of overloads into an irregular loading history. The results of simulation for 30 different loading histories obtained from the same stationary random process are analyzed and compared with the experimental results obtained for 2024-T351 aluminium alloy. The simulated lives present a fairly good fit with the experimental results, with a strong influence of the constraint factor selected and of the maximum peak in the loading history. Although predictions are usually good, it has been found that for any constraint factor producing good life predictions (with respect to the mean value of the Life obtained with the 30 loading histories) the results of each particular simulation may be over- or under-conservative depending on the maximum peak in the loading history used.     

纤维增强复合材料的弹性应力分析

本文对受一平行于纤维轴向外加载荷的单纤维复合材料给出了弹性应力的剪套解,得到基体内轴向应力沿径向的分布,以及纤维轴向应力和界面剪切应力沿纤维长度上的分布,并讨论了纤维/基体弹性模量比对最大纤维轴向应力和最大界面剪切应力的影响,而且,还将该工作与前人的工作进行了比较,最后,该文还给出了多纤维复合材料的弹性应力解.     

THE MECHANISM OF STAGE II FATIGUE CRACK GROWTH

This paper describes the early work directed to understanding fatigue crack growth behaviour and the seminal role played by Regis Pelloux, at both the Boeing Aircraft Co and MIT, and other researchers in various parts of the world. From this beginning, fatigue life assessment procedures for engineering components and structures developed and still continues.