基于修正剪滞模型的竹纤维/基体界面应力理论

竹维管束鞘中竹纤维/基体界面力学问题对分析竹维管束在微观尺度下的力学行为起着重要作用。本文针对竹纤维排布方式,并结合竹纤维锥形尖端几何特征,提出了适用于对竹维管束鞘做分析的修正剪滞理论模型,推导出了纤维轴向应力及纤维/基体界面位置处剪应力计算公式,在此基础上讨论了竹纤维长径比和纤维锥形尖端对复合材料内部应力分布的影响。分析发现,竹纤维较大长径比和细长锥形尖端可以实现纤维/基体界面间应力的有效传递。     

单向短纤维增强泡沫塑料力学性能分析

将Mori-Tanaka方法和修正剪滞模型相结合,给出了单向短纤维增强高密度泡沫塑料的模量预测和应力计算公式,并用建立的考虑不同情况的有限元模型分析了纤维和基体中的应力分布。研究结果表明：理论预测与有限元分析结果符合得较好。采用修正的剪滞理论能够解释单向短纤维增强泡沫塑料的应力传递机制。当泡孔体积分数增加时,纤维轴向应力和界面剪应力会增大,更容易发生脱粘和拉断破坏。纤维端部脱粘或穿过泡孔虽然容易引起局部应力集中,但对整体应力分布影响不大。     

短纤维增强混凝土应力传递剪滞理论的改进

根据混凝土的非线弹性性质、纤维端部应力和由于温度变化产生的温度应力对剪应力及纤维正应力的影响,对短纤维增强混凝土应力传递的剪滞理论进行改进.结合碳纤维增强混凝土分析了混凝土应变、纤维端部正应力系数和温度差对应力传递的影响.认为在混凝土弹性阶段剪应力和纤维正应力受应变影响较小,塑性阶段应变对应力传递影响较大;纤维端部应力系数对剪应力和纤维正应力表现为线性影响;剪应力与温度变化呈同方向变化,但纤维正应力不受温度影响.     

力、热载荷作用下纤维在复合材料中的界面应力传递行为

采用三维光弹性实验应力分析和有限元计算两种方法,在拉拔载荷和热残余应力联合作用下,对单丝拔出树脂基复合材料三维冻结切片界面剪应力进行了研究。实验结果和计算表明,在单纤维与基体界面的埋入端及埋入末端附近出现界面残余剪应力的极值;力、热载荷作用下纤维界面剪应力呈抛物线分布,单丝埋入端附近是应力的主要传递区域,最先达到危险应力,出现界面脱胶破坏,然后剪应力沿纤维埋入长度由纤维埋入端附近向埋入末端逐渐传递;界面热残余应力对界面剪应力的影响是使纤维埋入末端应力集中程度降低,使界面剪应力最大值增大。      

纤维—基体脱粘的界面应力分析

本文建立了单纤维拔出时考虑纤维与基体间径向压应力及界面剪应力的简单模型，分析了纤维的轴向脱粘应力与界面剪应力纤维包埋长度的分布规律。     

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。      

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。     

热障涂层应力产生机制及分布特征

热障涂层因优异的耐高温、耐磨损和耐腐蚀性等优点,被广泛应用在航空发动机等热端部件表面.热障涂层作为零件表面的服役载体,在外界热腐蚀、热梯度应力和机械载荷应力的作用下,易出现表面开裂及界面涂层剥落,这是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题.热障涂层由基体、粘接层、陶瓷层构成,涂层材料特性不同,界面处应力应变分布也不同,在外界载荷条件下,涂层与基体如何实现协同变形,应力如何传递等问题目前尚无明确解释.因此本文主要针对外加载荷作用下,热障涂层内部的应力传递及界面的应力分布问题进行研究.总结当前热障涂层的弹塑性应力模型和损伤应力模型,获得涂层界面应力分布规律,即弹塑性变形阶段,涂层界面应力于一端发生应力集中,并且基体与粘接层界面应力大约是陶瓷层与粘接层界面应力的四倍.随着载荷的增加,涂层表面损伤加剧,其剪滞模型的界面正应力更加符合四分之一椭圆函数,界面剪切应力呈反对称分布,应力分布特征为研究热障涂层在外载条件作用下对裂纹损伤演化行为的影响提供理论依据.     

陶瓷基复合材料多层界面相应力传递的有限元模拟

针对陶瓷基复合材料（CMCs）多层界面相的应力传递进行了有限元模拟。采用圆柱单胞模型描述CMCs的细观结构,按相应界面相亚层的实际厚度建立明确的界面相,并假设界面相亚层之间及界面相与纤维、基体之间初始完好结合,然后赋予各界面相亚层不同的材料参数,并采用轴对称有限元法进行求解,最终建立了多层界面应力传递的模拟方法。分别对比了不同厚度热解碳（PyC）界面相、PyC和SiC两种不同成分界面相及（PyC/SiC）和（SiC/PyC）两种结构界面相的应力传递模拟结果。从剪应力沿纤维方向分布及径向分布特点可以看出,通过合理配置CMCs内部多层界面相的结构、成分和厚度,可以实现界面相应力传递及失效模式的控制和优化。     

单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用Budiansky-Hutchinson-Evans（BHE）剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场,结合临界基体应变能准则、应变能释放率准则以及Curtin统计模型三种单一失效模型分别描述陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘以及纤维失效三种损伤机制,确定了基体裂纹间隔、界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与3种单一失效模型相结合,对各个损伤阶段的应力-应变曲线进行模拟,建立了准确的复合材料强韧性预测模型,并讨论了界面参数和纤维韦布尔模量对复合材料损伤以及应力-应变曲线的影响。与室温下陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,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。     

界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响

界面对复合材料蠕变性能的影响很大。在试验分析的基础上建立了硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料理论分析模型,利用三维有限元分析方法,系统研究了界面特性、界面上应力应变分布和短纤维位向变化对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料蠕变性能的影响。研究表明：界面特性,如厚度、模量,均对纤维最大轴应力和稳态蠕变速率有影响,当界面厚度增加,纤维最大轴应力减小而稳态蠕变速率增大;当界面模量增大,纤维最大轴应力增大而稳态蠕变速率减小,但当界面模量高于基体模量时,纤维最大轴应力和稳态蠕变速率均保持不变;纤维位向也影响轴应力分布和稳态蠕变速率,纤维在其末端界面上存在较大的应力和应变,此处容易产生微裂纹而使材料抗蠕变能力下降;界面对硅酸铝短纤维增强AZ91D镁基复合材料的蠕变曲线和蠕变断裂机制也有影响,其影响程度还与纤维位向有关。     

Non-Axisymmetric Matrix Cracking and Interface Debonding with Friction in Ceramic Composites

A three-dimensional analytical model based on the principle of minimum potential energy is developed and applied to determine the stress state in a discrete fiber/matrix composite cylinder subjected to axial tensile loading in the fiber direction and containing a non-axisymmetric transverse matrix crack and an interface debond. The friction over the debonded interface is incorporated into the analysis. The strain energy release rates associated with the matrix crack and the interface debonding under the combination of the applied load and the interface frictional force are computed. The strain energy release rate criterion has been employed to evaluate the critical applied loads for the two fracture modes and to assess the competition between propagation of a matrix crack and growth of interface debonding. A parametric study has been carried out. The computed results show that the interface friction plays an important role in the failure of brittle matrix composites.     

Interfacial shear strength estimates of NiTi–Al matrix composites fabricated via ultrasonic additive manufacturing

The purpose of this study is to understand and improve the interfacial shear strength of metal matrix composites fabricated via ultrasonic additive manufacturing (UAM). NiTi–Al composites can exhibit dramatically lower thermal expansion compared to aluminum, yet blocking stresses developed during thermal cycling have been found to degrade and eventually cause interface failure in these composites. In this study, the strength of the interface was characterized with pullout tests. Since adhered aluminum was consistently observed on all pullout samples, the matrix yielded prior to the interface breaking. Measured pullout loads were utilized as an input to a finite element model for stress and shear lag analysis. The aluminum matrix experiences a calculated peak shear stress near 230 MPa, which is above its ultimate shear strength of 150–200 MPa thus corroborating the experimentally-observed matrix failure. The influence of various fiber surface treatments and consolidation characteristics on bond mechanisms was studied with scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, optical microscopy, and focused ion beam microscopy.     

形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为

应用热粘弹性理论和Voigt混合律,在变温场中针对马氏体逆相变过程建立了NiTi形状记忆纤维热粘弹性基体复合材料的应力-应变关系,在逆相变过程和基体呈现热粘弹态阶段,由于基体松弛其模量减小,在跃阶拉应力的作用下,复合材料的压缩应变迅速增大,纤维回复应力先增大后减小;在跃阶拉应变的作用下,复合材料的应力增加先变缓然后加快直至稳定,较高的温度和材料参数对NiTi纤维热粘弹性基体复合材料的力学行为和纤维的作动性能有明显的影响.     

单纤维界面强度光弹性实验和理论研究

利用光弹性实验和有限元计算两种方法对单丝拔出复合材料模型的界面剪应力进行了研究。从计算和实验两个方面证明,当在纤维自由端施加一轴向拉力后,在单丝与基体界面的埋入端附近将出现剪应力的最大值。然后,沿着单丝的埋入方向,剪应力迅速降低,在界面区的中间趋于最小值,并且基本稳定不变。由此证明,单丝增强复合材料中界面的应力传递主要集中在单丝的埋入端附近,并且在这一区域最先达到危险应力,发生界面的脱胶破坏,引起整个试件的失效。     

Interfacial Effects on Stress Transfer in Fiber-Reinforced Composites

A three-dimensional solution for a fiber-reinforced circular cylinder is presented for axisymmetric force and displacement boundary conditions. The solution, which can satisfy all the boundary conditions prescribed on the curved and end surfaces of the cylinder, can be used directly in the micromechanical analysis of fiber-reinforced composites to investigate the typical representative volume element (RVE). The element consists of a combined circular cylinder composed of a solid inner circular cylinder of transversely isotropic fiber, a concentric outer circular cylinder of isotropic matrix material, and an interface layer between the fiber and the matrix. The radial and tangential flexural compliances of the interfacial material are considered, and their effects on the stress transfer at the interface are studied parametrically. The numerical results presented show that the material properties of the interfacial layer have significant influences on the stress distribution within the RVE, particularly at the cross sections near the ends of the cylinder, where external loads are applied.     

超高分子量聚乙烯架桥纤维与裂缝的交互微观力学

使用拉曼光谱研究了架桥纤维与裂缝微观力学,以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为例,将纤维搭桥试样进行微拉伸试验,着重分析架桥纤维的止裂作用和架桥纤维/环氧树脂界面的应力分布,并对不同位置架桥试样的裂缝扩展速度和应力分布进行分析,并进一步运用剪切滞后模型,对架桥纤维在不同拉伸载荷下的应力分布进行了拟合分析,结果表明:架桥纤维能够分散部分外载应力,对于裂纹扩展具有显著的止裂作用。在低于UHMWPE纤维最大应变拉伸时,发现在裂缝中心位置处架桥纤维所承受的应力最大,其应力不超过2GPa,而基体树脂的应力可达到12GPa,架桥纤维/基体界面的应力传递达不到100%。以UHMWPE为架桥的应力传递模型呈"正抛物线"型,应力分布存在于粘结区、脱粘区和架桥区。     

单纤维VS复合物纤维应力传递

纤维复合材料的力学特性很大程度上依赖于纤维和基体的应力传递。本文建立了单纤维和复合物纤维平面拉伸轴对称有限元模型，它考察了纤维拉伸时伴随基体破裂、界面分离以及基体破裂与界面分离同时发生时的应力传递特性，计算结果给出具有参考价值的有益结论。     

NiTi纤维表面处理及其树脂基复合材料的界面特性

NiTi纤维表面呈惰性,表面能低,NiTi纤维与树脂间界面粘结性差.为了提高界面性能,采用硅烷偶联剂、表面涂层和低温冷等离子体技术等方法对NiTi纤维表面进行处理,改善纤维表面的浸润性,达到纤维与树脂界面良好的粘结.对复合材料进行界面剪切强度的测定,并利用扫描电镜观察拔脱纤维表面形貌的变化.研究表明:NiTi纤维经不同方法处理后,纤维的浸润性和界面的粘结强度均有不同程度的改变,其中冷等离子体处理的纤维再经硅烷处理,其复合材料IFSS提高2.94倍,ILSS提高1.45倍,且纤维与树脂粘合较好.