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。      

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测

为预测含孔隙复合材料单层板的弹性常数,以单向纤维增强复合材料单层板为研究对象,首先,基于细观力学方法,提出了一种基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测方法;然后,基于纤维排列和孔隙特征,建立了纤维-基体尺度的代表体元模型和含孔隙复合材料单层板的代表体元模型,并采用有限元方法求解弹性常数;接着,采用周期对称边界条件,在纤维-基体尺度先进行第1步等效,得到不含孔隙复合材料单层板的弹性常数;最后,在含孔隙复合材料单层板的代表体元模型上进行第2步等效,完成了含孔隙复合材料单层板弹性常数的预测。结果显示:应用该方法得到的计算结果与试验数据吻合较好;结合纤维、基体弹性常数及孔隙形态的模型,该方法可以反映各因素对复合材料单层板弹性常数的影响。      

三维编织复合材料刚度和强度性能研究进展

综述了近年来国内外对三维编织复合材料的刚度和强度性能预测方法的研究进展.三维编织复合材料刚度性能的预测分析方法主要有两大类:解析法和有限元法,而强度特性的预测大多采用有限元方法来进行.最后,本文对有待于进一步研究的问题进行了展望.     

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。      

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。     

缝合复合材料面内刚度和强度的神经网络预测

基于神经网络的BP算法,建立了预测缝合复合材料刚度和强度性能的模型。根据试验所得的缝合复合材料的性能参数,训练人工神经网络,拟合出输入参数 (各种缝纫参数与等效未缝纫层合板性能参数)与输出参数(缝合层合板性能参数) 之间的非线性关系,设计完成了缝合复合材料弹性性能与强度分析软件,并以此软件分析计算在新的缝纫参数和等效未缝纫层合板性能参数情况下的缝合复合材料性能。与实验结果对比,两者符合较好。为缝合复合材料刚度强度预测开辟了一条新的有效途径。      

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。     

三维四向大编织角复合材料的细观强度分析

编织角是影响三维编织复合材料力学性能的最重要因素.实验数据表明:大编织角复合材料在单向拉伸作用下的破坏形式较为复杂,其应力-应变曲线呈现非线性特性.本文建立了细观应力场的均匀化列式和有限元求解方法,运用该方法对三维大编织角复合材料的细观应力分布进行了数值模拟,结合相关的强度理论对材料进行失效分析,并进一步对材料的拉伸强度进行预测.强度计算结果与实验结果较为吻合.     

Fatigue strength of woven fabric composites with drilled and moulded-in holes

The fatigue strength of glass-fiber woven-roving composites with a circular hole has been examined. Circular holes of two types, drilled and moulded-in, were considered. Experiments on the fatigue life and damage processes in (0, 90)_s and (45, −45)_s woven-roving composites with hole diameters of 5, 10, 14 and 19 mm were conducted. Experimental results show that laminates with moulded-in circular holes exhibit higher fatigue strength than those with drilled holes as a consequence of the altered mode of failure. Photographs of fatigue failure processes and specimen elongation with life are presented. The failure phenomena of laminates with drilled and moulded-in holes are compared and discussed.     

基于单胞解析模型的单向复合材料强度预报方法

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观单向板的强度预报方法。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该关联矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观单向板中。考虑复合材料细观损伤状态,当纤维和基体满足各自强度准则时失效,并通过失效因子折算成刚度的衰减。在此基础上,结合有限元分析,实现复合材料单向板纵横向拉伸模拟,从而预报单向板的拉伸强度。结果表明:该方法预报的模量和强度与实验值基本一致,验证了该方法的有效性与高效性。     

2.5D机织复合材料压缩性能实验与数值模拟

为了研究2.5D机织复合材料的压缩损伤和失效机制,验证双尺度渐进损伤有限元数值模拟方法的有效性,对这类复合材料分别沿经纱方向和纬纱方向进行了准静态压缩实验,获得了其相应的应力-应变曲线,并测定了材料的初始弹性模量和极限强度。在此基础上,利用双尺度渐进损伤有限元数值方法模拟分析了材料的压缩应力-应变响应和损伤演化行为,取得了与实验吻合较好的模拟结果。结果表明:2.5D机织复合材料在纬向压缩下的主要失效模式是纬纱的轴向压溃与断裂,可获得相对较高的压缩强度;但在经向压缩下,经纱因弯曲会承受附加弯矩作用,从而对周围基体造成挤压,故在经纱轴向断裂之前容易出现经纱之间基体的压溃和纱线之间的分层开裂,使强度降低,不利于发挥纤维的承载优势。     

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测

采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料,研究纤维含量、长度及其分布、不同基体树脂和相容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性,采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维强度,并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明：剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高,树脂基体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂MAPP对冲击强度具有负作用,而界面层为柔性层的相容剂PP-g-GMA对冲击强度具有提高作用;同等含量下,使用PP-g-GMA后复合材料的冲击强度比使用MAPP提高21.7%。通过KH550硅烷溶液处理后的纤维与PP-g-GMA反应,在界面处引入更加柔性的界面层,使冲击强度比引入MAPP提高50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后,预测值与实测值符合较好。     

基于细观结构的2.5维机织复合材料强度预测模型

采用经纱矩形截面及纬纱六边形截面假设,将经纱的屈曲轨迹简化为折线形式,建立了2.5维机织复合材料单胞几何模型。以单胞为研究对象,引入改进的三维Hashin失效准则和Mises准则作为组分材料的失效判据,采用不同的刚度退化方式来表征不同的失效模式,建立了基于逐渐损伤理论的强度预测模型。利用有限元分析（FEA）技术,开发了相应的参数化2.5维机织复合材料逐渐损伤分析程序,预测了浅交弯联结构不同机织参数2.5维机织复合材料的拉伸强度,并模拟了经向拉伸和纬向拉伸的损伤扩展过程。与静拉伸试验结果相比,拉伸强度的预测误差在10%以内;模拟的失效模式与试验结果吻合较好。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素

基于高强、高韧、高模和压拉平衡为特征的第三代先进复合材料的需求,综述了连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展历程。基于纤维微屈曲、纤维扭结带、联合预测模型及渐进损伤失效模型,分别讨论了连续纤维增强树脂复合材料压缩失效机制,并在联合预测模型基础上,探究了碳纤维（直径、模量、体积分数、初始偏角）、树脂基体（弹性模量、剪切模量）及纤维/树脂界面三要素对连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度和压缩失效形式的影响。