纤维束拉伸件几何尺寸对界面横向拉伸强度影响分析

纤维与基体的界面对复合材料的力学性能和耐久性有很大影响。相比于传统界面测试方法得到的界面剪切强度(IFSS),采用横向纤维束拉伸试验测得的横向拉伸界面强度可直观地反映纤维束与树脂间的界面性能,同时不受纤维组织微结构的影响,是树脂传递模塑(Resin transfer moul-ding, RTM)成型三维机织复合材料性能预测所需的重要参数。本工作建立了一种考虑纤维与树脂的热膨胀系数差异以及树脂固化收缩影响的横向纤维束拉伸试样的有限元模型,分析界面处的横向应力分布和破坏模式。然后用RTM工艺制备碳纤维束增强环氧树脂横向拉伸试验件,结果验证了模型的准确性。比较不同横向拉伸试样在界面处的受力状态,结果表明,十字型试样能有效改善边缘应力集中的现象,且在界面中心区域受力均匀,得到的横向拉伸强度更加精确。此外,讨论了十字型样品的伸出端宽度、长度等特征尺寸以及增强纤维类型对测试结果的影响。在选择纤维束横向拉伸试样时,为获得更加准确的界面横向拉伸强度,试样伸出端的宽度应尽可能大一些,但需要小于伸出端总长度的1/2以获得理想的破坏模式。     

超高性能混凝土在埋置炸药下的抗爆试验及数值模拟

该文研究了超高性能混凝土在埋置炸药爆炸载荷作用下的动态力学性能和损伤规律。通过改变混凝土靶体的配合比和炸药放置深度,得到了不同试验条件下混凝土靶体的破坏数据,采用非线性有限元法对靶体的毁伤效果进行了数值模拟,模拟结果与实际情况吻合较好。研究结果表明混杂纤维增强的超高性能混凝土具备更加优异的抗爆炸性能,炸药在靶体中的放置深度对混凝土的抗爆性能有显著影响。     

纤维微结构与横向渗透率的关系

对不同纤维体积分数和不同纤维分布状态的纤维模型进行数值模拟, 分析纤维微结构的改变对流体流动行为的影响。结果表明, 在纤维体积分数低时, 纤维间最小距离对平均渗透率影响小; 在纤维体积分数高时, 平均渗透率随着最小距离的减小而减小。研究渗透率标准偏差与最小距离、 体积分数三者关系, 在纤维体积分数低时, 渗透率的标准偏差主要由最小距离决定; 在纤维体积分数高时, 渗透率的标准偏差由纤维体积分数及最小距离共同决定。      

纤维增强树脂复合材料约束超高性能混凝土轴压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA有限元分析软件建立纤维增强树脂(FRP)复合材料约束超高性能混凝土(UHPC)圆柱细观有限元模型,以研究其单轴受压性能。通过已有试验数据验证了模型的有效性,并建立了能准确反映FRP复合材料约束作用的K&C模型的剪切膨胀参数预测公式。在此基础上进行参数分析,研究FRP复合材料厚度、纤维缠绕角度和钢纤维掺量的影响。结果表明,本文模型不仅能模拟随机分布钢纤维对试件应力分布的影响,且能较准确反映FRP复合材料约束作用对核心UHPC强度和延性的提高效果。模型在轴压作用下的破坏模式和应力-应变曲线与试验结果基本一致。参数分析表明,随FRP复合材料厚度或纤维缠绕角度的增大,试件极限承载力和延性均增大,而增大钢纤维掺量虽可限制核心UHPC斜裂缝的开展,但对试件强度和延性影响较小。      

周期复合材料压电问题的双尺度数值模拟

利用渐近展开的方法对具有一般周期结构的复合材料中描述压电现象的电势与位移建立了二阶双尺度渐近展开式及边界层解, 得到了局部单胞内电场与位移场的相互耦合关系, 并给出了复合材料中电势与位移的双尺度结合边界层的有限元计算方法。数值算例表明了该方法的可行性与高效性。      

长纤维增强聚合物注塑流动纤维取向分布数值模拟

基于Hele-Shaw流动模型及广义牛顿流体本构方程,采用ARD-RSC取向模型,建立了长纤维增强聚合物注塑成型流动数学模型。以方形薄板为研究对象,运用Moldflow对注塑流动过程进行模拟,研究注射时间、熔体温度、模具温度和保压压力对纤维取向及分布的影响。结果表明,注射时间对纤维取向的影响最为显著,随着注射时间延长,纤维取向值增加;随着熔体温度或模具温度的升高,纤维取向值减小;保压压力对纤维取向的影响与速度/压力转换点有关。     

高性能聚酰亚胺纤维

本文综述了聚酰亚胺纤维的性能及其制备工艺,以及聚酰亚胺纤维在结构方面的研究及纤维成型新技术、新工艺。     

高性能计算平台在铜铁薄板热轧复合数值模拟中的应用

基于高性能计算平台,利用ABAQUS有限元软件首次对Cu/Fe/Cu薄板进行了热轧复合模拟.应用高性能计算平台不仅大大地提高了计算效率,而且还提高了计算精度.通过模拟仿真,获得了轧制复合过程的应力应变场和温度场变化,对热轧过程有更清晰的认识;通过与实验对比,数值模拟与实验结果吻合良好,复合板各层厚度变化误差在5％左右,可对原始板料的厚度提供参考,同时对工艺的制定提供良好的理论指导.     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

一种新型板束结构的板翅式换热器的数值模拟和优化设计

换热器是热力系少轴向导热的影响,设计出的换热器往往很长.为了使换热器的结构型式更为紧凑合理,提出了一种新型板束结构,将换热器沿长度方向折叠.对物理模型用有限元的方法进行了数值模拟,对新型板束结构换热器的传热性能和压力损失进行分析.计算发现,合理选择板束间隔热片的材料和厚度,可以使新型板束结构的板翅式换热器在保持优良传热性能的基础上,实现高效紧凑、布局合理的良好效果.     

热塑性玻璃纤维头盔服役性能分析与数值仿真

为了探究复合材料特别是碳纤维、玻璃纤维在头盔产品上的应用,本文基于模压成型工艺,对热塑性连续玻璃纤维材料增强头盔的成型过程进行实验。探究复合材料头盔所使用层合板最佳铺层方案,并通过实验获得层合板的应力应变曲线。对比不同头盔的穿透、碰撞和刚度服役性能数据,并使用有限元软件LS-DYNA进行数值仿真计算,得到不同材料对头盔性能及质量的影响。使用ABAQUS软件对头盔模型进行拓扑优化,在保持头盔刚度性能基本不变的情况下,优化得到头盔的加强筋结构,以此减轻头盔表层厚度并实现轻量化。结果表明,相比于普通ABS材料的头盔,热塑性连续玻璃纤维头盔的质量减轻了14.6%、刚度提升了10.6%;含有加强筋结构的玻璃纤维头盔质量减轻了14.2%,刚度与普通ABS头盔保持一致,但更节约材料、性价比更高。复合材料头盔的综合性能相比普通ABS塑料头盔有显著提升。     

92负刚度蜂窝结构压缩性能分析

为准确开展以黏弹性材料为载体的负刚度蜂窝结构数值模拟研究,提出一种基于黏弹性广义Maxwell模型的负刚度蜂窝结构压缩性能数值模拟法.进行了尼龙12的动态机械分析(DMA)测试,基于广义Maxwell模型拟合实测动态模量数据,得到反映尼龙12动态黏弹性的无量纲模量gi和松弛时间τi.建立了负刚度蜂窝结构的有限元模型,基...     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

Effects of Transverse Shear on Strain Stiffening of Biological Fiber Networks

Actin, fibrin and collagen fiber networks are typical hierarchical biological materials formed by bundling fibrils into fibers and branching/adjoining fibers into networks. The bundled fibrils interact with each other through weak van der Waals forces and, in some cases, additional spotted covalent crosslinks. In the present work, we apply Timoshenko's beam theory that takes into account the effect of transverse shear between fibrils in each bundle to study the overall mechanical behaviors of such fiber networks. Previous experimental studies suggested that these fibers are initially loose bundles. Based on the evidence, it is hypothesized that the fibers undergo transitions from an initially loose to a tightened (due to strain effects) and finally back to a loose (due to damage) bundle under progressive loading. In correspondence, there can be identified three stages of strain stiffening and softening for the overall network deformation, consistent with results of a recent experimental in-situ neutron scattering study of fibrin networks. Finite element models are developed to examine these effects.     

2008年世界高性能纤维的回顾

2008年世界高性能纤维保持高速增长的势头,但金融危机后需求量有所下降.文中介绍了碳纤维、芳酰胺纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维、PBO纤维、PPS纤维产能扩大、新品种、新工艺和新用途的开发情况.在我国上述纤维均取得了重要的进展,纷纷迈向产业化,同时市场竞争开始加剧.     

Transverse compression behavior of Kevlar KM2 single fiber

This paper investigates the quasi static transverse compression behavior of Kevlar KM2 single fiber widely used in high velocity impact (HVI) applications. The nominal stress–strain response of single fibers exhibits nonlinear inelastic behavior under transverse compression. The nonlinearity is due to both geometric and material nonlinearities. The inelastic behavior is attributed to plastic deformation and microstructural damage resulting from fibrillation and micro cracking. The experimental set up allows for the observation and measurement of compressed width in real time. An experimental methodology is presented to determine the fiber material constitutive behavior by removing the geometric nonlinearity due to the growing contact area. Results from finite element model of the test method are correlated with the experimental results to assess the accuracy of the constitutive model.     

Analytical and numerical studies of deformation behaviour at microscopic scale

The paper presents an overview of the analytical methods as well as finite element method employed by the author in a few earlier investigations pertaining to modelling and simulation of deformation at microscopic scale. The following case-studies are considered for illustrations: deformation of a set of powder particles during hot isostatic pressing; effective properties of a typical particulate metal matrix composite and porous material; constitutive behaviour of a material exhibiting transformation-induced plasticity; shear band formation in polycrystalline material. The paper describes certain generalized techniques for constructing the microstructural geometries, assigning material properties and imposing boundary conditions. The concept of generating two-phase geometries using a master mesh and the generalized plane strain approach to handle two-dimensional approximations used in the above studies are also reviewed. In contrast to the commonly employed unit cell models based on certain regular geometries, the present method uses the actually observed microstructural geometries. This method accommodates more realistic and complex conditions compared to those supported by the well-explored analytical methods. Although, only homogeneous and isotropic systems have been discussed in this paper, this method can be easily extended to inhomogeneous and anisotropic cases as well. In general, the technique is emerging as a suitable numerical tool for designing materials for specific applications.     

钢筋混凝土隔离墙抗爆性能数值模拟研究

为了研究钢筋混凝土隔离墙在爆炸荷载作用下的动态响应和抗爆性能,采用LS-DYNA有限元软件建立9 m跨度隔离墙结构简化模型,模拟了不同药量和爆炸距离下隔离墙的动态响应。将模拟结果与经验超压公式计算结果和已有试验结果对比,验证了爆炸荷载和材料参数选取的合理性,分析了结构的破坏过程、冲击波作用规律、墙面荷载分布规律和结构变形情况。结果表明:建立的数值模拟可以较好地模拟爆炸冲击波与结构的相互作用;墙面冲击波压力衰减速率与药量和爆炸距离密切相关,墙面压力衰减幅度可达97.8%。在相同药量时,随着爆炸距离增加,墙体底部压力减小,顶部冲量增加;墙体结构由小变形转变为结构整体的较大变形;比例距离小于0.376■时,墙体底部容易发生剪切破坏。模拟结果可以为抗爆隔离墙的设计提供依据。     

干湿法高性能聚丙烯腈基碳纤维原丝的制备

本文介绍了高性能聚丙烯腈 (PAN)原丝的质量指标 ,讨论了影响原丝质量的因素。叙述了PAN聚合体及纺丝原液对原丝质量的影响 ,并论述了干湿法纺丝工艺的特点及对纤维物理机械性能的影响。同时 ,阐述了PAN原丝油剂及生产过程中原料的纯化及生产环境的净化对原丝质量的影响。