基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法

通用单胞模型常被应用于复合材料细观力学分析。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。本文中对其改进, 建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。该模型可以充分考虑纤维、基体和界面相等细观组分, 并实现单向板的宏-细观多尺度力学分析。通过将组分材料失效判据引入到模型中, 再与经典层合理论相结合, 提出了一种基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法, 并给出了基于试验数据的强度谱定量评测方法。通过与世界失效分析习题的失效理论和试验数据进行对比, 证明本文的预报方法具有很高的计算精度和广泛的普适性。     

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

圆管状立体机织复合材料的多尺度分析

采用多尺度耦合的数值模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能。建立了反映纤维束中纤维/基体二相材料的微观尺度单胞和反映周期性编织结构的细观尺度扇形单胞,并重点讨论了扇形单胞的周期性边界条件。通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数,得到了圆管状立体机织复合材料的刚度参数,实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能,模型预测刚度与试验结果吻合。另一方面,研究了从大到小各尺度耦合的应力分析,对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型,进行了复杂荷载下从宏观圆管结构、到细观纤维束尺度、再到微观纤维尺度之间的逐级应力分析。     

连续石墨纤维增强铝基复合材料准静态拉伸损伤演化与断裂力学行为

针对连续石墨纤维增强铝基(CF/Al)复合材料,采用三种纤维排布方式的代表体积单元(RVE)建立了其细观力学有限元模型,采用准静态拉伸试验与数值模拟结合的方法,研究了其在轴向拉伸载荷下的渐进损伤与断裂力学行为。结果表明,采用基体合金和纤维原位力学性能建立的细观力学有限元模型,对轴向拉伸弹性模量和极限强度的计算结果与实验结果吻合良好,而断裂应变计算值较实验结果偏低。轴向拉伸变形中首先出现界面和基体合金损伤现象,随应变增加界面发生失效并诱发基体合金的局部失效,最后复合材料因纤维发生失效而破坏,从而出现界面脱粘后纤维拔出与基体合金撕裂共存的微观形貌。细观力学有限元分析结果表明,在复合材料制备后纤维性能衰减而强度较低条件下,改变界面强度和刚度对复合材料轴向拉伸弹塑性力学行为的影响较小,复合材料中纤维强度水平是决定该复合材料轴向拉伸力学性能的主要因素。     

考虑界面时细观几何结构对复合材料力学性能的影响

基于应力为未知量的通用单胞模型改进算法在保证计算精度的前提下,可以提高计算效率,本文利用该方法计算了考虑界面时细观结构对纤维增强复合材料力学性能的影响.计算结果表明,当界面结合较差时,必须考虑界面性能对复合材料的影响;当界面模量接近或等于基体的模量时,已满足界面结合完好的条件,因此可不考虑界面对复合材料的影响;界面对复合材料的弹性模量、泊松比以及应力-应变曲线的影响较大,因此,界面是复合材料力学性能预测中不可忽略的重要环节.同时,纤维截面形状及排列方式对复合材料宏观的力学性能影响较大.     

碳/碳缎纹机织复合材料弹性性能数值模拟

针对碳/碳八枚五飞缎纹机织复合材料的数值模拟工作,在保证精度的前提条件下为提高计算效率,基于该复合材料的细观结构,采用通用单胞模型模拟其弹性性能。将该方法和矩形单胞模拟计算方法进行比较,结果表明,两种方法的计算结果相近,但是通用单胞模型可以减小建模工作量,降低网格划分的难度,提高计算效率,是一种较为合理高效的建模分析方法。此外,该建模分析方法也可用于其他缎纹机织复合材料的力学性能分析。     

三维四向编织复合材料界面损伤机理数值分析

考虑界面脱粘表面压应力下摩擦力对材料界面力学性能的影响,建立损伤-摩擦相结合的界面本构模型,编写用户材料子程序VUMAT,实现其在有限元软件ABAQUS中的嵌入。基于周期性胞元分析思想,在单胞模型中纤维束/基体、纤维束/纤维束分界面引入界面单元,结合损伤-摩擦相结合的界面本构模型,建立含界面相三维四向编织复合材料的细观有限元模型。模拟典型载荷下界面损伤的起始和扩展过程,分析界面应力传递和界面破坏机理,研究界面性能对复合材料宏细观力学性能的影响规律,为实现三维四向编织复合材料界面性能优化设计和控制提供参考。      

单向短纤维增强复合材料应力传递模型及其细观力学分析

建立了含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导了纤维轴向应力和纤维基体间界面剪应力计算方程。分析了纤维/基体模量比、纤维长径比和纤维体积分数等细观结构参数对纤维轴向应力和界面剪应力分布的影响,并对结果进行了验证。     

基于多尺度方法的纤维织物增强柔性复合材料拉伸模量预测

以超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维织物增强-聚乙烯（PE）涂层柔性复合材料作为研究对象,首先,通过离子抛光仪对复合材料横截面进行处理;然后,使用SEM和光学显微镜测量复合材料细观结构,获得复合材料细观几何参数;最后,基于均匀化方法和连续介质假设,建立单胞力学模型,计算单胞的拉伸载荷-应变曲线,将理论值与实验值进行比较。结果表明:基于多尺度方法的复合材料单胞力学模型所得拉伸载荷-应变曲线与实验所得曲线能较好吻合,该理论模型能够较好地预报纤维织物增强柔性复合材料的拉伸模量。      

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料, 在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上,引入M urakam i 的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为, 建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳/环氧四向编织复合材料本构的非线性行为, 并与实验结果进行了对比。      

微结构对碳/碳复合材料界面性能的影响

通过理论模型和界面顶出实验分析了微观结构对碳/碳复合材料界面性能的影响机制。使用高分辨Micro-CT系统获得C/C复合材料界面的微观结构特征,并对界面的微观结构特征进行统计分析,得到界面微观结构尺度分布的概率密度函数。对C/C复合材料的界面层建立力学分析模型,计算获得C/C复合材料界面力学性能,在计算过程中引入界面微观结构的随机性统计分布,获得C/C复合材料界面力学性能的分布规律。设计纤维束顶出实验,测试分析C/C复合材料的界面力学性能。将力学分析模型的计算结果与界面顶出实验获得的实验结果进行对比分析,表明通过模型计算获得的界面性能的均值和离散度与实验获得的结果具有较好的一致性。      

针刺C/SiC复合材料应力-应变模型及试验验证

研究了室温下针刺C/SiC复合材料的静拉伸应力-应变行为。基于显微CT技术重构的微观型貌,选取恰当的代表体积单元,建立了针刺C/SiC复合材料应力-应变性能预测的单胞模型。基于可实现任意加卸载下单向纤维增强C/SiC复合材料应力-应变计算的界面摩擦模型,由材料的细观组分性能计算出单向纤维束层的应力-应变响应,然后将单向纤维束层的应力-应变响应代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到针刺C/SiC复合材料的整体应力-应变响应。进行了针刺C/SiC复合材料静拉伸试验,测得材料的应力-应变响应,计算结果与试验吻合较好。      

考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料弹性性能数值预测

考虑了相邻纤维束之间的界面粘接效应, 建立了考虑纤维束间粘接层的三维四向编织复合材料单胞有限元模型, 较为真实地模拟了该材料的细观结构, 讨论了相应的边界条件和约束条件, 并采用有限元方法计算了该材料的等效弹性性能参数, 计算结果与实验值符合较好。研究了等效弹性性能参数随不同编织角及体积分数的变化关系, 得到了体胞的细观应力场, 为强度分析提供数据。      

2.5D机织复合材料的渐进损伤与失效模拟

为了研究典型2.5D机织复合材料的压缩性能,开展了复合材料单胞结构的经向和纬向压缩实验,并通过对材料编织结构的细观表征,建立了细观尺度的单胞有限元模型来模拟压缩载荷下单胞内部的变形及渐进失效过程。结果表明,2.5D机织复合材料在受压时表现出明显的非线性力学响应,材料沿经向的压缩模量和强度均高于纬向;经向压缩时材料的主要破坏模式有经纱的横向开裂、纤维束间的界面分层破坏、纬纱的压溃及基体的开裂,纬向压缩时出现的主要破坏模式是纬纱的压溃、纬纱纤维束的断裂及基体开裂;通过对比试验与有限元结果,认为所建立的细观有限元模型能够准确预测材料单胞在压缩载荷下的应力-应变响应,并且能够模拟编织结构中的损伤起始和演化过程。      

短纤维增强金属基复合材料的多重损伤分析

用细观计算力学的方法分析了短纤维增强金属基复合材料(MMC)多重损伤的相互作用及对拉伸强度的影响。采用唯象的内聚力模型模拟界面的脱粘;G-T模型描述延性基体的损伤。在胞元模型的基础上研究了界面强度、纤维长径比等细观参数对材料损伤模式及强韧性的影响。研究表明,界面较弱时,损伤以界面脱粘为主,界面的强度决定了材料强度;当界面较强时,晶须将发生断裂,材料的最终强度由晶须的强度决定。不同界面强度条件下基体中损伤的分布不同。      

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场。采用断裂力学方法、 临界基体应变能准则、 应变能释放率准则及Curtin统计模型4种单一失效模型确定了90°铺层横向裂纹间距、 0°铺层基体裂纹间距、 纤维/基体界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与4种单一损伤模型结合, 对各损伤阶段应力-应变曲线进行了模拟, 建立了复合材料强韧性预测模型。与室温下正交铺设陶瓷基复合材料单轴拉伸应力-应变曲线进行了对比, 各个损伤阶段的应力-应变、 失效强度及应变与试验数据吻合较好。分析了90°铺层横向断裂能、 0°铺层纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能、 纤维Weibull模量对复合材料损伤及拉伸应力-应变曲线的影响。      

基于单胞解析模型的复合材料层合板渐进损伤数值分析

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观层合板的渐进损伤分析模型。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观复合材料中。该模型只需给出纤维和基体的材料属性及纤维体积含量无需层合板的弹性和强度参数,通过组分材料的损伤失效判据确定其是否损伤,如果发生损伤则用损伤因子折算成相应的刚度衰减。通过用户材料子程序UMAT 及VUMAT将单胞解析模型以及损伤理论嵌入到有限元软件ABAQUS 中,对开孔复合材料层合板的渐进损伤过程进行模拟,预测了层合板强度。结果表明:预报的强度与试验值吻合较好,验证了该方法的有效性。     

考虑微观界面的2D编织SiC/SiC复合材料宏-细-微多尺度渐进损伤失效分析

该文将微观界面组分纳入宏-细-微三个尺度的多尺度渐进损伤失效分析中.对细、微观单胞模型施加周期性边界条件获取放大因子并采用k-means聚类方法进行缩聚;通过缩聚的放大因子求解宏观模型对应的细、微观组分应力并进行损伤失效判定;计算宏观模型退化后的弹性参数用于后续计算;针对2D编织SiC/SiC复合材料开展了渐近损伤失效...     

T700轴向增强经编织物复合材料力学性能的模拟分析与试验研究

应用一种新型界面元模型研究了复合材料层间剪切损伤。通过引入双线性损伤准则和损伤演化,预报复合材料层间裂纹扩展。轴向增强经编织物复合材料由针织纱线引起的纤维变形(KYD)产生了富树脂区域,基于细观力学理论提出了一种新的研究轴向增强经编织物单胞模型受单向拉伸和剪切时KYD区周围应力分布的方法,得出了单胞在受载时首先在这一区域产生裂纹。对单轴向T700经编织物复合材料进行了三点弯曲性能和层间剪切性能试验测试,分析了经编织物复合材料的力学特性。分别模拟了弯曲性能和层间剪切性能试验,得出了最大预报载荷值与试验值误差小于10%,并基于有限元模型研究了复合材料面内损伤和层间裂纹扩展损伤机制。