基于Weibull模型的C/C复合材料销钉剪切强度分布及本构关系

针对C/C复合材料销钉力学性能各向异性的特点,开展基于Weibull分布模型的C/C销钉剪切强度分布及本构关系研究,探讨不同剪切方向对C/C销钉剪切强度和剪切本构的影响规律。基于两参数Weibull分布模型,采用最小二乘法获得不同剪切方向上剪切强度的分布规律;根据C/C复合材料损伤失效机制,采用基于Weibull分布的弹性损伤模型表征材料的剪切本构关系,并通过试验数据获取损伤模型中的参数。结果表明:通过Kolmogorov-Smirnov拟合优度检验,两参数Weibull分布模型能较好地表征C/C销钉剪切强度的分布规律;沿45°方向剪切的C/C销钉,其剪切强度最高;随着剪切角度的增大销钉剪切刚度逐渐降低,从0°方向上的19.46 kN/mm下降到90°方向上的12.70 kN/mm。      

2D-SiC/SiC复合材料拉伸加卸载行为

为了研究国产2D-SiC/SiC复合材料的拉伸损伤行为以及低周循环载荷作用下的力学性能,通过试验和建立加卸载细观力学模型,对其拉伸加卸载行为进行了探讨。建立了单向连续纤维增强陶瓷基复合材料加卸载细观力学模型,得到了初始加载、卸载和重新加载时的应力-应变关系;利用断裂统计方法得到了基体裂纹数随应力变化的关系和复合材料失效判断条件。经过应力转化,将该模型应用于国产二维编织SiC/SiC复合材料。对单向加载试件,采用正交试验方法和最小二乘法得到基体Weibull模量和界面剪切阻力,通过控制材料失效强度与试验结果一致,得到纤维Weibull模量。由上述参数确定的2D-SiC/SiC复合材料拉伸循环加卸载应力-应变曲线与实测曲线吻合很好。通过Matlab编程得到2D-SiC/SiC复合材料单向加载时基体开裂过程图。结果表明,2D-SiC/SiC复合材料失效时,基体裂纹分布相对比较均匀;基体裂纹数随应力单调增加,未出现持平段,表明材料失效时,基体裂纹还没有达到饱和。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

二维编织C/SiC复合材料非线性损伤本构模型与应用

基于二维编织C/SiC复合材料的基本力学性能试验, 建立了该材料的宏观正交各向异性非线性损伤本构模型。模型中以可检测的应变作为变量, 采用形式简单的函数分别描述了单轴拉伸和剪切加载下的材料损伤演变下的应力-应变关系, 以及卸载状态的刚度变化规律。同时, 考虑了材料的单边效应以及拉压应力状态转换时的损伤钝化行为。将此本构模型编写成UMAT子程序并引入ABAQUS有限元软件, 可以完整描述该材料的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征, 及其加卸载历史。通过对带孔板的拉伸模拟, 孔边应变分布与试验结果吻合较好, 验证了本构模型的有效性。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

一种预测复合材料棘轮行为的循环塑性-损伤模型

构建循环塑性本构模型并揭示其微观机制,目前仍然是复合材料力学研究富有挑战性的课题。本文提出了一种循环塑性-损伤模型,用以预测在循环载荷作用下纤维增强复合材料的应力-应变响应。该模型是在作者前期提出的描述非线性滞后行为的弹塑性本构模型的基础上的进一步扩展。它可以预测加载时的非线性响应、卸载和重加载时的迟滞行为及大量循环下的棘轮现象。作为基准问题验证,将Kawai等的实验数据与本文模型的数值预测进行了比较。结果表明,该模型能够模拟碳纤维/环氧树脂单向复合材料在偏轴循环加载下的棘轮行为。      

短纤维增强金属基复合材料应力分布的剪切滞后分析

使用弹性理论和剪切滞后分析, 推导出了基体和纤维应力场分布表达式, 研究了纤维体积分数、纤维长径比和基体屈服强度等对应力分布和应力传递的影响。研究表明, 基体和纤维应力分布及基体的塑性行为具有明显的不均匀性, 基体与纤维之间存在明显的应力传递和应变分配。关键词　金属基复合材料, 剪切滞后理论, 应力应变分布      

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。     

三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为研究

通过研究三维针刺C/C复合材料面内压缩失效行为,发现应力-应变行为包括起始段的非线性滞弹性、线弹性、非线性损伤及应力下降失效4个阶段,循环加载-卸载实验表明线弹性阶段应力-应变行为的重复性好,而非线性损伤阶段则与加载历程有关。面内压缩失效主要是端部分层脱粘和分层劈裂,受纤维/基体界面结合强度影响较大。     

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。      

Modeling of Nonlinear Mechanical Behavior for 3D Needled C/C-SiC Composites Under Tensile Load

This paper established a macroscopic constitutive model to describe the nonlinear stress–strain behavior of 3D needled C/C-SiC composites under tensile load. Extensive on- and off-axis tensile tests were performed to investigate the macroscopic mechanical behavior and damage characteristics of the composites. The nonlinear mechanical behavior of the material was mainly induced by matrix tensile cracking and fiber/matrix debonding. Permanent deformations and secant modulus degradation were observed in cyclic loading-unloading tests. The nonlinear stress–strain relationship of the material could be described macroscopically by plasticity deformation and stiffness degradation. In the proposed model, we employed a plasticity theory with associated plastic flow rule to describe the evolution of plastic strains. A novel damage variable was also introduced to characterize the stiffness degradation of the material. The damage evolution law was derived from the statistical distribution of material strength. Parameters of the proposed model can be determined from off-axis tensile tests. Stress–strain curves predicted by this model showed reasonable agreement with experimental results.     

三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺参数优化EI北大核心CSCD

基于误差反向传播(BP)神经网络与改进的遗传算法建立三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺优化的代理模型,获得针刺工艺参数与复合材料刚度性能之间的关系。利用BP网络实现复合材料刚度性能预测,BP网络的预测值与有限元计算结果吻合程度较好,模型训练误差最大为0.526%,测试数据误差最大为0.454%,BP网络预测精度高。对传统遗传算法的遗传策略和优化策略进行改进,利用两种改进的遗传算法对针刺工艺参数进行优化。优化后的工艺参数显著提高了材料的刚度性能,其中面内拉伸模量分别提高了11.07%和11.48%,面外拉伸模量分别提高了49.64%和48.13%,复合材料的综合刚度性能分别提高18.17%和18.21%。     

Failure analysis of fiber-reinforced composite laminates subjected to biaxial loads

A nonlinear constitutive model for a single lamina is proposed for the failure analysis of composite laminates. In the material model, both fiber and matrix are assumed to behave as elastic-plastic and the in-plane shear is assumed to behave nonlinearly with a variable shear parameter. The damage onset for individual lamina is detected by a mixed failure criterion, composed of the Tsai-Wu criterion and the maximum stress criterion. After damage takes place within the lamina, the fiber and in-plane shear are assumed to exhibit brittle behavior, and the matrix is assumed to exhibit degrading behavior. The proposed nonlinear constitutive model is tested against experimental data and good agreement is obtained. Then, numerical analyses are carried out to study the failure behavior of symmetric angle-ply composite laminates and symmetric cross-ply composite laminates subjected to biaxial loads. Finally, the conclusions obtained from the numerical analysis are given.     

高性能针刺碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能针刺碳/碳复合材料, 拓展其应用领域, 通过优化针刺工艺参数, 设计并研制了不同结构参数的针刺预制体。采用沥青高压致密化工艺将针刺预制体制备成一系列针刺碳/碳复合材料, 研究了针刺碳/碳复合材料的微观结构、力学性能和热物理性能。结果表明, 针刺预制体的针刺深度、针刺密度以及短/长纤维配比等对碳/碳复合材料的力学性能和热物理性能影响显著。当针刺深度为12 mm、针刺密度为22针/cm ²、短/长纤维比例为1.0 : 4.8时, 针刺碳/碳复合材料表现出优良的综合性能, 拉伸、压缩、弯曲、面内剪切和层间剪切强度分别达到207、228、285、54和28 MPa。     

基于离散宏单元的砌体结构高效非线性分析方法

砌体结构由力学性能不同的块体和砂浆构成，材料的各向异性使结构非线性行为体现出高度复杂性。砌体结构非线性分析模型主要包括分离式和整体式两种:分离式模型将块体、砂浆及二者粘结界面分开建模，可以精细化揭示砌体非线性行为和破坏形态，但非线性分析计算量大，多用于局部构件的细部分析和模拟；整体式模型将块体和砂浆假定为连续的匀质体，建模过程简单、易行，适用于整体结构的宏观分析。无论是分离式还是整体式，结构非线性计算分析中大规模刚度矩阵的实时更新与分解降低了分析效率。该文提出了一种基于整体式空间离散宏单元模型的砌体结构高效非线性分析方法，该方法采用剪切单元模拟砌体墙的斜截面剪切破坏模式，采用无厚界面单元模拟砌体墙的正截面弯曲破坏模式、正截面剪切滑移破坏模式和平面外剪扭破坏模式，进一步将剪切单元等效斜向弹簧的轴向变形和无厚界面单元上下表面的相对变形分解为线弹性和非线性两部分，并引入塑性自由度描述分离出的非线性部分，可将任意时刻的切线刚度矩阵表示为初始弹性刚度矩阵的低秩摄动形式，引入Woodbury公式进行求解，该文方法避免了大规模整体刚度矩阵的迭代更新，非线性分析的主要计算量仅集中于小规模非线性矩阵的更新与分解，显著提升了计算效率。     

ZrC改性C/C-SiC复合材料的力学和抗烧蚀性能

采用碳纤维针刺预制体, 用前驱体浸渍裂解(PIP)法分别制备了C/C-SiC和C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料, 并对材料的微观结构、力学和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的复合材料。C/C-SiC-ZrC的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度均低于对应的C/C-SiC的。2 200 ℃、600 s氧化烧蚀后, C/C-SiC-ZrC的抗烧蚀性能显著优于C/C-SiC, 其线烧蚀率下降43.8%, 质量烧蚀率下降25%。在超高温阶段, C/C-SiC-ZrC复合材料基体的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成黏稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止了氧化性气氛进入基体内部。      

Analytical model for the in-plane shear behavior of URM walls retrofitted with FRP

This paper presents an analytical model for in-plane shear behavior of unreinforced masonry (URM) walls retrofitted using fiber reinforced polymers (URM-FRP). The proposed model idealizes masonry, epoxy, and FRP in a URM-FRP as different layers with isotropic homogenous elastic materials. Then, using principles from the theory of elasticity, the governing differential equation of the system is formulated. A double Fourier sine series is used as a solution for the differential equations. A simple computer program was developed to combine the solution of the differential equations with material nonlinearity. The material nonlinearity was represented by step-by-step layer stiffness degradation; after each step the equations are resolved linearly. The proposed basic analytical model allows the fundamental investigation of in-plane shear behavior of URM-FRP. Finally, effects of epoxy and masonry ductility as well as allowable shear stresses and FRP axial rigidity on the shear strength of URM-FRP are examined. In addition, comparisons with three existing models are carried out.