金属基聚合物内衬复合压力容器界面剥离失效及预防

基于构建的裂纹剥离扩展失效过程的模拟方法,提出了预测临界载荷的方法,并通过界面的临界应变能释放率与损伤起始应力,构建了预防界面裂纹剥离扩展失效的等值临界真空压力约束预防控制线和设计准则。结果表明,临界压力载荷受控于界面初始预裂纹长度、复合界面的临界应变能释放率（GIC）和损伤起始应力（T0）,与界面初始预裂纹长度呈负关联关系,而与临界应变能释放率与损伤起始应力呈正关联关系;当初始预裂纹长度由11.11 %增至15.55 %时,临界压力载荷（Pc）由87.6 kPa降至为57 kPa,降幅为34.9 %;内衬界面剥离韧性参数（T0,GIC）的坐标点位于等值临界真空压力约束控制线之上,可有效预防内衬界面剥离扩展失效。     

多层结构正弦界面Ⅰ型裂纹扩展预测模型

多层结构复合材料凭借其耐高温、抗腐蚀、耐冲击等性能广泛应用于化工、核电以及航空航天等领域。以等离子喷涂热障涂层,爆炸焊接为代表的复合结构界面通常为正弦波界面,这给界面裂纹的扩展研究带来了极大的挑战,为了提高复合材料的使用寿命,减少正弦界面的断裂失效,本项目针对热障涂层界面I型裂纹进行研究,探索建立热力耦合条件下I型界面裂纹扩展预测模型。     

基于VCCT的复合材料低周疲劳性能研究

基于VCCT建立复合材料低周疲劳模型,对层合板结构分层损伤进行疲劳寿命预测。采用ABAQUS软件通过直接循环法计算复合材料低周疲劳分层扩展情况,在模拟中指定分层扩展所沿的界面,基于VCCT可以计算界面单元裂纹尖端的断裂能量释放率,通过Paris准则来判断疲劳裂纹的产生和扩展。     

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     

应力氧化环境中3D C_f/SiC复合材料损伤演变

以裂纹的产生和扩展为线索,通过扫描电镜研究了疲劳氧化环境中3DCf/SiC复合材料损伤演变特征。结果表明:应力氧化环境中3DCf/SiC复合材料的损伤形式主要为:基体开裂,界面相脱粘和氧化以及纤维的氧化与断裂。基体开裂为氧化性气体与复合材料内部的界面相和纤维反应提供通道。界面相脱粘和氧化导致纤维伸长量增加,促使裂纹扩展。纤维氧化断裂和裂纹张开扩展相互促进,形成了裂纹扩展的动力。     

记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。     

基于XFEM短纤维聚醚醚酮复合材料结构稳定性数值模拟分析

熔融沉积成型(FDM)制备短纤维增强聚合物复合材料成型技术日趋完善。采用FDM-3D挤压工艺制备了纤维含量为10%的短碳纤维(CF)和玻璃纤维(GF)增强的高性能聚醚醚酮复合材料,通过拉伸实验获取聚醚醚酮(PEEK)、碳纤维聚醚醚酮复合材料(CF/PEEK)以及玻璃纤维聚醚醚酮复合材料(GF/PEEK)试样应力-应变曲线。在此基础上,以单边缺口弯曲断裂试样为对象,基于扩展有限单元法(XFEM)建立三种材料的数值模拟模型,分别讨论了含初始裂纹缺陷和无预制裂纹状况下试样的结构稳定性。结果表明,在相同条件下CF/PEEK复合材料构件先于纯PEEK材料、GF/PEEK复合材料发生结构失效行为,且当构件中存在热裂纹的状况下,CF/PEEK复合材料构件更有可能发生断裂失效。     

基于拉伸载荷的碳纤维/环氧树脂层合板疲劳断裂机理

为研究拉伸载荷下碳纤维/环氧树脂层合板的疲劳性能，开展了4种应力水平下的T300/6511碳纤维平纹织物层合板的拉-拉疲劳实验，得到了不同应力水平下层合板的疲劳寿命。采用超声波C扫和扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌及内部损伤，讨论复合材料疲劳损伤发展积累过程和断裂机理。通过复合材料疲劳有限元分析模型，模拟了复合材料织物层合板疲劳损伤积累和失效过程，绘制了S-lg N曲线，分析发现模型预测的疲劳寿命及失效模式与实验结果吻合良好。疲劳加载时，层合板两侧自由边的表面首先出现基体开裂和分层损伤，随后诱发基体与纤维间界面破坏，损伤加剧，并迅速向内侧扩展；最后大量纤维和基体断裂，损伤贯穿整个截面，导致疲劳断裂。     

聚合物纳米复合材料韧性和破坏行为

在总结高分子材料增韧机理、高分子纳米复合材料冲击破坏行为的基础上,探讨了高分子纳米复合材料的增韧机理。纳米无机粒子起应力集中的作用导致界面脱黏、空化与基体屈服是其增韧高分子材料的主要原因,而碳纳米管则起桥联裂纹、偏转裂纹方向、传递界面应力使聚合物基体屈服而增韧高分子材料。对聚合物／层状填料纳米复合材料而言,分散在聚合物基体中的插层或剥离的无机纳米片层对复合材料银纹的形成有抑制作用,其二维几何结构不利于片层周围基体的屈服与界面脱黏、空化,因而不能增韧高分子材料,反而还导致了聚合物／层状填料纳米复合材料抗冲击强度的降低。高分子材料的纳米复合目前很难达到橡胶增韧的效果,若同时采用纳米复合技术与官能化弹性体增韧技术,可望设计、制备出一系列高强度、高韧性的高分子纳米复合材料。     

界面污染对复合材料层间性能的影响

采用双悬臂梁试验方法,研究了成型过程中界面污染对玻纤增强复合材料层间性能的影响,并采用基于虚拟裂纹闭合技术的有限元法对层间裂纹扩展过程进行了数值模拟。研究表明:界面污染试验件的层间Ⅰ型断裂韧性低于未污染试验件;界面污染试验件的测试结果发散性大于未污染试验件;虚拟裂纹闭合技术的模拟结果与试验结果吻合良好,可用于预测裂纹扩展载荷。     

穿透裂纹对层合板拉伸性能的影响

对含3种不同方向穿透裂纹的层合板进行了拉伸试验研究,通过观测试验过程与断口分析,研究了含穿透裂纹层合板的失效行为。在此基础上,采用ABAQUS软件建立了含穿透裂纹层合板渐进损伤有限元分析模型,对其拉伸性能进行了分析,并对初始损伤与裂纹扩展路径进行了研究,讨论了裂纹形式对复合材料层合板剩余拉伸强度的影响。结果表明,初始损伤发生在裂纹尖端,损伤有沿垂直于载荷方向扩展的趋势。裂纹方向的变化对层合板的剩余强度有明显影响。     

含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃过程的数值模拟

建立了预测含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃响应的数值分析模型。该模型综合考虑了复合材料层合板的纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效三种典型的面内损伤模式,并通过编写用户自定义材料子程序VUMAT实现面内失效类型的判断和相应材料性能的折减;在壁板和筋条连接界面应用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算层间裂纹前缘的应变能释放率,并结合B-K混合模式准则控制缺陷的起裂以模拟脱粘的扩展演化过程;采用显式动力学方法准静态分析结构在压缩载荷下的屈曲、后屈曲直至最终压溃的响应过程。数值分析结果与文献试验、数值结果吻合良好,验证了模型的合理性和有效性,并详细研究了复合材料脱粘加筋壁板的损伤演化过程和渐进压溃行为。     

平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的力学性能及损伤演化

通过平纹编织碳纤维增韧碳化硅复合材料的拉伸、压缩和剪切的单向与循环加–卸载实验,分别研究了材料在拉伸载荷、压缩载荷和剪切载荷作用下的力学性能和损伤演化过程。结果表明:在压缩载荷作用下,材料的压缩性能下降很小,基体开裂,纤维界面脱粘和纤维束断裂为主要的失效机理;材料在拉伸和剪切载荷作用下,损伤演化过程有所区别。材料拉伸损伤演化经历损伤初始阶段、损伤加速阶段和损伤减缓阶段,为韧性断裂,损伤破坏主要表现为:基体开裂、横向纤维束开裂,界面层脱粘、层间剥离和纤维断裂;在剪切载荷作用下,经历损伤加速阶段和损伤减缓阶段,基体开裂、界面层脱粘和纤维断裂为主要的损伤机理,试样最后在最窄截面位置形成平断面。基于实验研究结果,采用回归分析方法,分别给出了材料在拉伸载荷和剪切载荷作用下损伤演化方程式。     

注汽锅炉炉管的失效分析

为研究失效炉管材料20G裂纹扩展方式和断裂机理,针对20G材料裂纹密集区域进行观察,发现材料内部存在不同程度的损伤。裂纹扩展是由小到大、由表及里、由多个小裂纹扩展成大裂纹的过程。通过化学成份测试发现材料在高温下随服役时间的积累,材料化学成份也会逐渐发生改变,有害化学元素的超标导致材料的脆化。利用ansys软件对炉管温度场分布的模拟,计算得到炉管长期在800℃以上高温下的服役。     

固体火箭发动机粘接界面变形破坏的细观试验与数值模拟

采用扫描电镜原位拉伸试验观察固体火箭发动机粘接界面试件在拉伸过程的变形和破坏过程,分析了载荷作用下界面失效模式和机理;依据粘接界面细观结构,建立了界面的细观数值模型,考虑了其细观损伤特点,在推进剂内部颗粒与基体之间以及推进剂/衬层之间引入界面元,对界面细观变形和破坏过程进行了数值模拟。结果表明,在外界应变5%时,表现为非均质材料内部应力分布不均,随应变的增加,推进剂内部脱湿形成的微孔洞不断扩展,最终导致界面破坏,界面拉伸失效过程表现为损伤的起裂和扩展,是推进剂内部脱湿和粘接界面脱粘共同作用的结果;界面元能有效地模拟粘接界面的脱粘过程,细观数值计算结果与试验结果吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展的规律。     

基于细观结构的GFRP筋拉伸试验分析

对不同基体的长纤维复合材料(GFRP)筋开展拉伸强度试验,借助SEM观察筋体各阶段受力下的细观结构,得到关于拉伸性能作用的结论。实验可知,乙烯基GFRP筋与不饱和聚酯基GFRP筋相比具有更优的材料复合结构和界面,乙烯基筋体裂纹扩展的受荷强度比不饱和聚酯基筋高;GFRP筋在荷载作用下先是基体材料的裂纹扩展或者少数纤维的断裂,随着基体达到极限强度,裂纹开始由局部扩展至较大范围,直到筋体表面;在荷载强度达到破坏荷载的80%以上时,筋体细观结构表现出纤维与基体明显的剥离,筋体破坏与纤维和基体之间的剥离有较紧密的关系。     

CePO4/Ce-ZrO2可加工陶瓷加工机理的研究

以CePO4／Ce-ZrO2为基体，通过复合不同加入量的第二相CePO4颗粒，并借助扫描电子显微镜对材料压痕、磨削及切削表面进行分析，研究了CePO4／Ce-ZrO2陶瓷材料的可加工机理。单相CePO4材料的弯曲断口显示出层片状断裂机制；而复相CePO4／Ce-ZrO2陶瓷由于两相之间弱结合界面的存在，压痕裂纹扩展形式发生明显变化，由连续扩展机制过渡为不连续扩展。基于上述两种重要机制形成的大量微裂纹是赋予材料可加工性的主要原因，材料加工去除是以微裂纹的连接来实现的。同时，大量微裂纹起到耗散主裂纹扩展能量的作用，有效阻止了较大裂纹的形成，使材料加工损伤大大降低。最后，给出了CePO4／Ce-ZrO2陶瓷加工机理的简单模型。     

聚合物粘接炸药动态压缩过程中的损伤仿真研究

研究了不同过载条件下聚合物粘接炸药(PBX)的动态力学特性。采用弹体侵彻混凝土的方法计算出药柱的不同过载值,得到了药柱的过载-时间曲线。通过有限元软件对药柱的损伤过程进行了数值模拟,分析了在无径向约束条件下的过载量对药柱损伤的影响。研究结果表明:随着加载时间的不断延长,药柱颗粒之间发生界面脱胶,药柱中心产生微小裂纹;继续压缩时,药柱颗粒发生穿晶断裂,裂纹呈一定角度沿着剪切屈服面延伸;药柱沿晶断裂先于穿晶断裂出现,带有沿晶裂纹的试样依然能承受加载;随着过载值的增加,药柱的损伤逐渐增大。     

基于细观尺度的树脂基混凝土力学性能数值模拟

在细观尺度上对树脂基透水混凝土进行分析研究,采用Python编程语言结合有限元分析软件ABAQUS建立基于随机骨料的三维实体模型模拟骨料单粒级配下的树脂基混凝土在单轴压缩和三点弯曲作用下的损伤断裂和应力分布情况,以删除失效单元的方式来模拟裂纹的扩展过程,得到应力强度值,并对其进行参数化分析。结果表明:数值模拟结果与已有试验结果吻合性较好,能够很好地体现裂纹损伤效果,在细观层次研究的基础上揭示了其宏观力学性能。     

短纤维/橡胶发泡复合材料的微观结构及拉伸破坏机理

对锦纶短纤维增强的NR发泡材料的微观结构及拉伸破坏行为进行了研究，并分析了其破坏机理。采用未处理短纤维增强的NR发泡材料中短纤维成为泡孔的成核点，并大部分悬空在泡孔中，拉伸破坏时泡壁与短纤维结合处容易出现应力集中，成为裂纹的起始点，失效时短纤维大部分被抽出；预处理短纤维能与橡胶基体之间产生良好的粘合，从而处于橡胶基体中。其短纤维增强的NR发泡体拉伸产生的裂纹扩展时遇到纤维，纤维能起到承载应力、使应力转向、阻止裂纹扩展的作用，一定程度上改善了复合材料的拉伸强度等物理性。