不同龄期钢纤维增强水泥砂浆纤维拉拔试验与模拟研究

钢纤维增强水泥基复合材料作为一种多相复合材料,其增强增韧效果的发挥依赖于钢纤维与基体之间的界面粘结性能。通过开展不同龄期的钢纤维增强水泥基复合材料单根纤维拉拔试验及数值模拟研究,分析了龄期对钢纤维增强水泥砂浆界面粘结性能的影响,建立了不同龄期的单根纤维拉拔细观模型,通过将模拟结果与试验结果进行对比验证模型的有效性。根据所建立的细观模型分别对不同龄期钢纤维增强水泥砂浆纤维-基体间的界面粘结作用机理及纤维-基体间粘结表面在纤维拔出过程中的应力变化进行了分析。结果表明:所建立细观模型模拟得到的纤维最大拉拔力及荷载-滑移曲线与试验结果吻合较好,钢纤维的最大拉拔力及钢纤维-水泥砂浆基体的界面粘结强度均随着龄期的增加而增加;在7 d龄期内界面粘结强度的增长速度较快,7 d龄期后增长速度放缓;随着龄期的增加,不同龄期段的界面粘结强度的增长率逐渐减小并趋于稳定。采用拟合得到的粘结表面材料参数能够有效模拟各龄期下单根钢纤维从水泥砂浆中的拔出过程。     

定向钢纤维水泥基材料Ⅰ-Ⅱ复合型断裂性能研究

通过不同预制裂缝位置的三点弯曲梁断裂试验,研究了定向及普通乱向钢纤维水泥基材料Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝的断裂特性.利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线以及荷载-挠度曲线,分析了钢纤维水泥基材料复合型裂缝扩展的全过程.结果表明,定向钢纤维水泥基复合材料的断裂性能明显优于普通乱向钢纤维水泥基复合材料;在本试验裂缝偏移距离范围内(0～100 nm),随着预制裂缝偏移距离的增加,起裂角、起裂荷载、峰值荷载逐渐增大,而断裂能逐渐降低;随着起裂角的增加,定向钢纤维水泥基材料的增强效果有所降低,当起裂角达到33°～43°,降低幅度较为明显.     

考虑尺寸及纤维掺量影响的高强混凝土断裂能试验研究

在断裂能测试分析中,试件尺寸及钢纤维含量同时影响混凝土测试断裂能.为研究不同钢纤维掺量及试件尺寸对高强混凝土断裂能的影响,制备了105根不同钢纤维体积掺量(0％、2％、3％)和缝高比(0.05,0.1,0.15,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7)的几何相似单边切口梁试件.采用三分点加载试验方法,得到了不同开口裂缝深度、试件尺寸大小和钢纤维掺量对高强混凝土断裂能的影响规律.试验结果表明:钢纤维掺量能显著影响高强混凝土断裂能,但随着钢纤维掺量的增加,断裂能增长速度减缓;钢纤维高强混凝土测试断裂能Gf随初始裂缝长度的增加呈线性递减,随试件尺寸的增加呈线性递增,表现出明显的尺寸相关性;钢纤维的掺入可削弱试件缝高比变化对测试断裂能的影响,显著提高混凝土的韧性;基于边界影响模型,揭示了初始裂缝长度、试件尺寸对测试断裂能Gf产生的影响可归结为试件边界对断裂性过程区的影响.     

混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料(HyFRSHCC)的力学性能

为提高高性能纤维增强水泥基复合材料的性价比,设计了一种由聚乙烯醇(PVA)纤维、钢纤维以及碳酸钙晶须作为增强材料,水泥砂浆作为基体的混杂纤维增强应变硬化水泥基复合材料(HyFRSHCC).通过单轴压缩试验和四点弯曲试验对这种HyFRSHCC的抗压和抗弯性能进行了研究.结果表明HyFRSHCC的抗压强度高于基体材料,且在破坏时能保持良好的整体性;在弯曲荷载作用下表现出显著的应变硬化特征及多缝开裂行为,具有较高的能量吸收能力与变形能力.扫描电子显微镜(SEM)的观察结果表明碳酸钙晶须在材料破坏过程中限制了微裂缝的发展,而PVA纤维与钢纤维实现了对宏观裂缝的控制.通过引入碳酸钙晶须和钢纤维可以适量代替价格较高的PVA纤维,降低纤维增强应变硬化水泥基复合材料的成本.     

环氧树脂对玻璃纤维/水泥复合材料界面性能的影响

在细观单纤维拔出实验基础上,利用ANSYS有限元程序,结合生死单元方法,对环氧树脂接枝处理的玻璃纤维/水泥基复合材料纤维拔出行为进行数值模拟,获得了界面理想结合/界面非理想结合下的拔出荷载-位移曲线。讨论了环氧树脂光滑接枝与粗糙接枝对玻璃纤维/水泥基复合材料界面强度的影响,研究表明,环氧树脂接枝不仅具有良好的界面结合性,还具有良好的机械嵌合性。     

考虑纤维取向特征的超高性能混凝土三维细观断裂

钢纤维取向对超高性能混凝土(UHPC)力学性能有显著影响,传统实验方法较难直接控制纤维取向和分布,且缺乏可同时反映UHPC裂缝演化与纤维作用等复杂机理的三维细观模型,造成了定量分析和模拟验证纤维取向影响的困难。为此,首先开展了UHPC直接拉伸实验,采用外置磁场实现纤维定向并利用图像分析获得纤维倾角分布密度,通过数字图像相关技术(DIC)研究了纤维取向对断裂过程、应力–应变曲线的影响。其次建立了可显式考虑纤维取向和分布、不同倾角的纤维拉拔力本构以及基体离散粘性断裂的三维UHPC细观数值模型,并通过开展的直拉实验获得验证。结果表明：建立的细观模型能有效描述UHPC材料复杂的三维断裂过程;UHPC的应变硬化特性、裂缝发展与最终形态、纤维桥连作用等均受到纤维分布和取向等细观因素的影响。     

三维五向编织复合材料工字梁弯曲性能研究

对四步法三维五向编织工字梁结构的弯曲性能进行了数值分析和实验研究。首先根据三维五向编织复合材料细观结构模型对材料进行刚度预测,讨论编织参数对材料性能的影响;在此基础上,将预测得到的单胞力学性能应用到宏观结构上,建立三维五向工字梁有限元模型,对其弯曲性能进行数值分析;最后采用RTM工艺制作工字梁试件进行四点弯曲试验,将结果与有限元计算结果进行对比。结果显示,编织参数的变化对三维五向编织复合材料的性能有着较大影响,有限元分析结果与试验结果基本一致。     

纤维增强复合材料损伤行为及强度预测细观力学建模研究进展

纤维增强复合材料的强度取决于微尺度开裂、脱粘和复合材料单元和组分相之间的相互作用。复合材料的损伤程度是影响工程应用中使用寿命失常的重要因素。采用细观力学模型对复合材料的强度、刚度和使用寿命进行预测,可以实现复合材料结构的宏、细观一体化分析。在此,总结了纤维增强复合材料断裂、损伤和变形的细观力学分析模型的发展,并展望了其发展趋势。     

纤维增强弹性体基复合材料的有限元模拟分析

采用Pro/Engineer和ANSYS软件,对以芳纶1414为纤维增强相、丁腈橡胶为基体组成的纤维增强弹性体基复合材料进行有限元模拟分析,在考虑经纱与纬纱间摩擦接触的条件下,建立机织复合材料三维细观有限元模型,研究了复合材料的细观应力分布,并分析了纤维束纱线倾角、经纱与纬纱间摩擦系数等对复合材料细观力学性能的影响。结果表明,经纱与纬纱接触界面存在明显的应力集中现象,模型的模拟结果与实际情况吻合良好;随着纱线倾角的增加,应力集中现象趋于严重,纱线的强度保持率下降,材料的力学性能降低。     

碳纤维-钢纤维水泥基复合材料电学性能试验研究

为优化水泥基复合材料的电学性能,以碳纤维(CF)和钢纤维(SF)为导电材料,通过抗压强度试验、交流阻抗测试、扫描电镜测试和升温试验,研究了碳纤维和钢纤维的体积掺量对水泥基复合材料抗压强度和电学性能的影响。结果表明,碳纤维-钢纤维水泥基复合材料的抗压强度随碳纤维掺量增大呈先增大后减小的趋势。碳纤维、钢纤维的渗滤阈值分别为0.35%和0.6%(均为体积分数),复掺碳纤维和钢纤维使水泥基复合材料的导电性能大幅增强,产生了明显的正向混杂效应,碳纤维和钢纤维体积掺量达到渗滤阈值后,继续增大纤维掺量对导电性能的提升作用不大。用ZSimp Win软件拟合得到等效电路各电路元件数值,并结合SEM照片分析了导电机制。碳纤维-钢纤维水泥基复合材料具有良好的电热性能,当输入功率为7.9 W,通电30 min、60 min、90 min后,其平均温度可达到33℃、43℃、50℃,通过曲线拟合得到了温度随时间变化的回归方程。     

Direct numerical simulations on crack formation in ceramic materials under thermal shock by using a non-local fracture model

In this work, a non-local failure model was proposed and implemented into a finite element code. It was then used to simulate the crack evolution in ceramic materials subjected to thermal shock. By using this numerical model, the initiation and propagation of cracks in water quenched ceramic specimens were simulated. The numerical simulations reproduced faithfully the crack patterns in ceramic specimens underwent quenching tests. The periodical and hierarchical characteristics of the crack patterns were accurately predicted. The numerical simulations allow a direct observation on whole the process of crack initiation and growth, which is quite a difficult task in experimental studies. The failure mechanisms and the fracture procedure are discussed according to the numerical results obtained from the simulations. It is shown that the numerical model is simple, robust, accurate and efficient in simulating crack evolution in real structures under thermal shock.     

陶瓷叠层结构增韧设计的数值模拟及实验研究

本研究尝度将微机作为辅助手段引入仿生陶瓷复合材料的增韧设计。基于多层梁模型,采用有限元数值模拟方法模拟了仿生陶瓷叠层结构的断裂行为和裂纹逐次从硬层基片向弱界面层基片向弱界面层的拐折和扩展。后处理程序显示了三点弯曲试件的裂纹扩展路径,相应的载荷－位移曲线和增韧效应（断裂功大幅度提高）,还进一步分析了叠层陶瓷的韧性和强度受试件几何参数（硬软层层厚比,层数）和材料性能参数（断裂应变,Ｙｏｕｎｇ氏模量比等     

固体推进剂螺旋压伸挤出过程流变模型建立

在对固体推进剂的螺旋压伸过程进行研究的基础上,探究了一种新型的固体推进剂流变模型的建立方法,即采用最小二乘法拟合基于毛细管流变仪测试所得数据,得到初步固体推进剂流变本构模型,利用Polyflow有限元仿真软件模拟毛细管流变仪测试过程,对流变本构模型参数进行修正,确定最终的推进剂流变本构模型.通过实验数据拟合与有限元模拟...     

复杂花纹子午线轮胎水滑特性仿真研究

基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,建立具有复杂胎面花纹的175/65R14子午线轮胎三维有限元模型.通过轮胎径向刚度试验验证所建轮胎有限元模型的有效性,并在此基础上构造轮胎水滑仿真分析模型.使用ALE算法处理轮胎与水流间的流固耦合关系,仿真分析轮胎从静止到水滑现象产生的全过程,获得的轮胎临界水滑速度与经验公式的计算结果具有较好的一致性.3种不同花纹轮胎水滑速度仿真结果在趋势上与预期一致,进一步说明了有限元方法对轮胎水滑特性仿真评价的有效性.     

Meso-scale numerical simulation and experimental verification of single grain grinding TiC–Fe composites

Grinding process of particle reinforced metal matrix composites (PRMMCs) is extremely challenging due to the addition of hard particles. To reveal the material removal mechanism, a meso-scale numerical model for single grain grinding of TiC–Fe composites was established, considering the random particle distribution model and cohesive zone model. The simulated grinding forces and machined surface topography based on the proposed model show a similar trend and were consistent with the experimental results. The transition stage of ductile-brittle removal of TiC–Fe composites was explored. Results indicated that the grinding forces increase abruptly due to the obstruction of high-strength TiC particles and fluctuate periodically in the Fe matrix. The grinding forces decrease with the elevated grinding speed. Additionally, the material removal processes at different stages were studied and the removal modes mainly include: matrix plastic removal, particles wear, particles debonding, particles fracture, particles pull out. This paper provides significant guidance for the digitization and information construction of PRMMCs machining in enterprises and increases the economic benefits for the manufacturing industry.     

Haake混合器中双组分聚合物熔体共混过程的数值模拟研究

采用有限元分析软件POLYFLOW对发生在Haake密闭式混合器中的双组分聚合物熔体共混过程进行了二维等温数值模拟，并进行了实验验证。首先采用仅和流场有关的黏度模型对共混过程进行了数值模拟，模拟结果与实验结果符合较好。进而又考虑了共混体系中组分含量对共混体系黏度的影响，对原来的黏度模型进行了修正，修正后的数值模拟结果和实验结果更接近。通过利用数值模拟的方法进一步获悉了双组分聚合物体系对流混合的规律。     

喷嘴洗涤器弯头开孔结构有限元分析及强度评定

由于弯头开孔结构无法按常规设计方法进行开孔补强计算,故对弯头接管开孔区域建立了三维有限元力学分析模型。利用三维实体模型,真实地模拟了特殊结构的形状、载荷分布、边界条件,计算出最接近真实状况的应力分布情况;根据有限元分析结果,按JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》进行了应力强度评定,为详细工程设计提供了弯头开孔补强计算方法。     

A discrete crack approach to normal/shear cracking of concrete

This paper presents a numerical procedure for mixed mode fracture of quasi-brittle materials. The numerical procedure is based on the cohesive crack approach and extends it to mixed mode fracture. The crack path is obtained, and the mixed mode fracture model is incorporated into the crack path. The crack model is based on the formulation of the classical plasticity. The model is incorporated into a commercial finite element code by an user subroutine and is contrasted with experimental results. The numerical results agree quite well with two experimental sets of mixed mode fracture of concrete beams; one from Arrea and Ingraffea, the other from a nonproportional loading by the authors. Two other sets of experimental fracture results were modeled based on double-edge notched testing. The numerical procedure, mainly based on standard properties of the material measured by standard methods, predicts the experimental records of the load versus displacement at several control points of the specimens for three homothetic sizes of specimen.     

LDPE/石墨复合材料导热系数模拟与实测值的比较

应用ANSYS的参数化有限元分析技术,建立了无机粒子填充聚合物复合材料的导热模型,模拟了石墨填充低密度聚乙烯(LDPE)复合材料的传热过程。在此基础上,模拟了LDPE/石墨复合材料的导热系数,并与文献报道的实测数据进行比较。结果表明,两者之间有较好的一致性。     

A micromechanically motivated finite element approach to the fracture toughness of silicon nitride

Silicon nitride is often used, when high fracture toughness and strength is needed. For a safe and economic structural design with this material, a prediction of its resistance against thermal and mechanical loads is important. The finite element method together with a continuum damage mechanics model allows for such calculations. The parameters of the suggested model have been adjusted to three-dimensional micromechanical finite element simulations, which include models for the microstructure, the thermoelasticity and the fracture. The material model is used for four-point bend test simulations. The results are compared to recent experiments.