短纤维增强金属基复合材料弹性模量和屈服强度不对称性的解释

运用文献[1]中的变形模型和应力计算结果, 推导出了存在热残留应力时的拉伸和压缩弹性模量和屈服强度表达式, 表达式与试验吻合很好。分析表明, 纤维根区域的压缩残留应力造成弹性模量的不对称性, 基体拉伸残留应力和纤维的压缩残留应力造成屈服强度的不对称性。     

碳纳米管增强镁基复合材料强化机制的解析法研究

采用剪切滞后模型理论分析了碳纳米管增强镁基复合材料受载时作用在复合材料上各组分的应力;考虑复合材料各种强化机制,建立碳纳米管增强镁基复合材料的屈服强度模型,研究了各组分性能参数对复合材料屈服强度的影响。结果表明,CNTs的长度对CNTs/Mg复合材料屈服强度的影响有限;碳纳米管层数越多或分散越稀疏越不利于提高复合材料的屈服强度;在一定范围内屈服强度随着温度差的增加而增加;CNTs的体积分数对复合材料屈服强度的影响存在最佳值。这表明该模型预测的复合材料屈服强度与实验结果较吻合。     

数值模拟SiCp/Al复合材料的微观结构对力学性能的影响

本文运用有限元法模拟了SiC颗粒体积分数和颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料弹性模量、屈服强度、延伸率的影响。为了建立与真实显微结构相似的复合材料模型,假定任意尺寸的SiC颗粒随机地分布在SiCp/Al复合材料中。计算结果表明:SiC颗粒体积分数对复合材料的力学性能的影响更加显著。随着体积分数的增加,SiCp/Al复合材料的弹性模量和屈服强度逐渐增加;而其延伸率会相应降低。其应力应变曲线由韧性材料的特性向脆性材料的特性逐渐过渡。相反,当平均颗粒尺寸在一定的范围内变化时,颗粒尺寸对其应力-应变曲线的影响并不显著。     

石墨烯增强层对石墨烯/Al复合材料不同压缩阶段的强化影响

利用分子动力学(MD)方法探究了石墨烯纳米片(GNs)层数和每层片数对GNs/Al复合材料不同压缩阶段力学增强效果的影响。结果发现：GNs层和片数越多，复合材料弹性模量、屈服强度和最大应力强度的增强效果越显著，且增强层由3片及以上GNs构成时，压缩曲线会出现双最大应力峰值。压缩后期，GNs的断裂造成复合材料的各向异性，使复合材料在GNs锯齿形方向上的横向变形大于扶手椅方向。与MD结果对比分析发现，当金属层厚不足3 nm时，限制层滑模型不再适用。     

无应力氧化下C/SiC复合材料弹性性能模拟及验证

结合复合材料氧化质量损失率模型和混合率公式, 发展了单向C/SiC复合材料在无应力氧化下的弹性模量预测方法。对400~700 ℃和700~900 ℃两种氧化机制下C/SiC复合材料的弹性模量进行了预测, 分析了氧化温度、氧化时间和纤维体积含量对C/SiC复合材料弹性模量的影响。开展了单向C/SiC复合材料在650 ℃和800 ℃空气环境下的无应力氧化试验, 建立了复合材料质量损失率与氧化时间的变化关系, 得到了氧化后材料拉伸应力-应变曲线。同时, 将理论预测值与试验结果进行对比, 发现理论值与试验值基本吻合, 从而验证了该方法能够有效地预测无应力氧化下陶瓷基复合材料的弹性性能。     

数值模拟碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能

本文根据连续介质理论,采用代表性体积元的方法计算了碳纳米管增强铝基复合材料的力学性能。使用有限元软件ABAQUS对代表性体积元模型进行分析,研究了不同碳纳米管体积分数对复合材料弹性模量、屈服强度、泊松比及剪切模量的影响。结果表明碳纳米管体积分数对复合材料力学性能有显著影响,随着碳纳米管体积分数的增加,复合材料的弹性模量、屈服强度及剪切强度都明显提高,泊松比略有下降。     

低速碰撞下复合材料叠层板的微裂纹演化及其对弹性模量的影响

采用双线性特性破坏模型研究了复合材料叠层板各层内部开裂裂纹的演化;通过引入弹性模量的裂纹影响系数表示,推导出裂纹影响系数与应变及应变率之间的微分关系,并得到裂纹耗散功率与裂纹影响系数变化率之间的关系。通过计算不同初始碰撞速度下复合材料叠层板的应变、应变率响应以及裂纹影响系数的演化,得到整个冲击过程中各层内任意点附近裂纹开裂情形及其对弹性模量的影响;通过检查界面各点处的裂纹影响系数是否发生改变,预测了碰撞完成之后复合材料叠层板中各层内微裂纹的分布区域位置与大小;并将该预测结果与其他破坏准则计算结果进行了比较。计算结果表明,在碰撞过程中各层内任意点处的应力值超过其屈服强度后,该点附近的弹性模量开始发生衰减,衰减大小随铁球初始碰撞速度的增大而增大。在四边夹支的边界条件下,复合材料叠层板的裂纹分布区域同样最先出现在碰撞点及边界中点位置,区域面积随初始碰撞速度的增大不断扩大     

原位自生TiB_2/A356复合材料拉伸行为的细观分析

采用原位自生法制备了TiB2/A356复合材料,并对该材料的拉伸性能进行了研究。结果表明,随着颗粒体积分数的增加,复合材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度增大,而延性稍有下降。断口观察表明,其主要断裂机制为颗粒与基体界面脱粘和颗粒团聚内部疏松引起的脆性开裂。针对此种复合材料提出一种弹性模量简化计算模型,同时对其屈服强度也进行了细观分析。     

Micromechanicai Analysis in Tensile Properties of In-situ TiB2/A356 Composites

采用原位自生法制备了TiB2/A356复合材料,并对该材料的拉伸性能进行了研究.结果表明,随着颗粒体积分数的增加,复合材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度增大,而延性稍有下降.断口观察表明,其主要断裂机制为颗粒与基体界面脱粘和颗粒团聚内部疏松引起的脆性开裂.针对此种复合材料提出一种弹性模量简化计算模型,同时对其屈服强度也进行了细观分析.     

考虑界面的空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料的力学性能仿真分析

建立了空心玻璃微珠随机分布的环氧树脂复合泡沫材料代表体元模型,采用内聚力单元模拟界面。研究了玻璃微珠相对壁厚、体积分数对复合泡沫材料应力-应变曲线和屈服强度的影响,分析了空心玻璃微珠相对壁厚不同时,复合材料中的应力分布差异;还研究了界面强度对复合泡沫材料强度和应力分布的影响。研究表明,考虑界面时的数值模拟结果与相关文献的实验数据较为符合。玻璃微珠相对壁厚存在一个约为0.06的临界值,当相对壁厚小于临界值时,复合材料的屈服强度随微珠含量增加而减小;反之,则随微珠含量增加而增加。微珠相对壁厚不同,复合材料中的应力分布差异较大。界面对复合材料强度和应力分布具有重要影响,复合材料屈服强度与弱界面含量基本呈线性相关,界面弱化会使得微珠周围基体的应力分布规律变化较大。     

An Application of the Modified Shear Lag Model to Study the Influence of Thermal Residual Stresses on the Stiffness and Yield Strength of Short Fiber Reinforced Metal Matrix Composites

1.IntroductionBecauseofspecialgeometryofthefiberandlargermismatchofthermalexpansioncoefficientsbetweenthematriXandthefiber,thermalresidualstressesinshortfiberreinforcedmetalmatrixcomposite(MMC)canreachaconsiderablemagnitudeandcanproduceimportanteffectsonthecompositeproperties.Ithasbeenreportedthatthermalresidualstressescanre-sultinasymmetricelasticmodulusandyieldstrength,i.e.theelasticmodulusincompressionislowerthanthatintension,whiletheyieldstrengthincompres-sionishigherthanthatintension.Ma…     

纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能

为研究纳米纤维增强闭孔泡沫材料的力学性能,采用Voronoi随机泡沫模型对闭孔泡沫材料的细观几何结构进行模拟,并将纳米纤维随机分布在泡沫材料的胞壁中,利用改进的自动搜索耦合（ASC）技术将纤维单元与基体单元进行耦合,建立了能够反映纳米纤维增强闭孔泡沫材料细观结构的数值模型。在此基础上,进一步研究了泡沫模型随机度、相对密度以及纳米纤维长径比和质量分数对纳米纤维增强闭孔泡沫材料弹性模量与屈服强度的影响规律。结果表明:由所建立的数值模型得到的纳米纤维增强闭孔泡沫材料的弹性模量和屈服强度与实验值吻合较好;提高泡沫模型的随机度会使复合泡沫材料的弹性模量和屈服强度增加,而当随机度达到0.450以后,材料的弹性模量和屈服强度几乎不再发生变化;当相对密度在0.05~0.30范围内变化时,复合泡沫材料的弹性模量与屈服强度几乎随相对密度的增加呈线性增长;提高纳米纤维长径比和质量分数也会使材料的弹性模量和屈服强度得到提高,但当纤维长径比达到500以后,纤维长径比的增强作用逐渐减弱。所得结论对纳米纤维增强闭孔泡沫材料的制备具有重要意义。      

Finite element analysis of frictionless contact between a sinusoidal asperity and a rigid plane: Elastic and initially plastic deformations

A series of finite element simulations of frictionless contact deformations between a sinusoidal asperity and a rigid flat are presented. Explicit expressions of critical variables at plastic inception including interference, contact radius, depth of first yielding, and pressures are obtained from curve fitting of simulation results as a function of material and geometrical parameters. It is found Hertz solution is not applicable to the critical contact variables at plastic inception for sinusoidal contact, although contact responses of initially plastic deformation follow the same trend as that of purely elastic deformation. The contact pressure at incipient plasticity, which is defined as yield strength, is dependent on Poisson’s ratio, yield stress, and geometrical parameters, but independent of elastic modulus. It is not yield stress, but yield strength that correlates with indentation hardness. The results yield the insight into the specification of material properties to realize elastic contact. A larger ratio of yield stress to elastic modulus is beneficial to sustain a larger load before plastic deformation.     

材料参数对高强不锈钢管数控绕弯成形失稳起皱的影响

目的研究材料参数波动对管材数控绕弯成形失稳起皱的影响规律。方法基于ABAQUS有限元平台,建立了21-6-9高强不锈钢管数控绕弯成形过程三维弹塑性有限元模型,并验证了模型的可靠性;采用该模型模拟分析了材料参数波动对其数控绕弯成形过程失稳起皱的影响规律。结果随着厚向异性指数、屈服强度的增大或弹性模量、硬化指数的减小,弯管的起皱趋势增大,泊松比和强度系数对弯管起皱趋势的影响较小。结论材料参数对弯管起皱趋势影响的大小依次为:屈服强度、弹性模量、厚向异性指数、硬化指数、强度系数和泊松比。     

高温处理后闭孔泡沫铝压缩性能及变形机理

目的 探究温度和孔隙率对闭孔泡沫铝材料压缩力学性能和变形机理的影响。方法 将孔隙率为84.3%～87.3%的泡沫铝试件在温度25～700 ℃内进行加热处理,对处理后的试样开展准静态压缩实验。结果 在准静态压缩条件下,闭孔泡沫铝材料在不同温度加热处理后的压缩应力–应变曲线均经历了3个阶段:弹性阶段、塑性平台阶段和密实阶段。孔隙率从87.3%减小到84.3%时,其弹性模量增大了44.4 MPa,屈服强度增大了0.39 MPa,平台应力增大了0.94 MPa。孔隙率为84.3%的泡沫铝,在25 ℃时,其弹性模量为141.4 MPa、屈服强度为4.25 MPa、平台应力为4.75 MPa;当加热温度为500 ℃时,弹性模量减小到了128.0 MPa、屈服强度减小到了4.22 MPa、平台应力减小到了4.51 MPa。结论 泡沫铝的弹性模量、抗压屈服强度和平台应力均随孔隙率的增加而减小;加热温度低于500 ℃以下时,泡沫铝材料力学性能变化很小,但屈服强度和弹性模量均小幅度降低;在压缩载荷下,泡沫铝的变形破坏模式呈现出先从试件铝基体较薄弱部分产生孔壁塑性变形、孔洞坍塌,并逐渐出现断裂压缩带,直至泡沫铝孔洞完全坍塌密实。     

An Inverse Approach for Extracting Elastic-plastic Properties of Thin Films from Small Scale Sharp Indentation

An inverse method for extracting the elastic-plastic properties of metallic thin films from instrumented sharp indentation has been proposed in terms of dimensional analysis and finite element modeling.A wide range of materials with different elastic modulus,yield strength,and strain-hardening exponent were examined.Similar to the Nix-Gao model for the depth dependence of hardness H,(H/H0)2=1+h*Hh,the relationship between elastic modulus E and indentation depth h can be expressed as(E/E0)4=1+h*Eh.By combining these two formulas,we find that there is a relationship between yield stress σ y and indentation depth h:σy = σy0·(1+h*Hh)f(n)·(1+h*Eh)[0.25-0.54f(n)],where σ y0 is the yield strength associated with the strainhardening exponent n,the true hardness H0 and the true elastic modulus E0.f(n)= 1/2(1-n) is constant,which is only related to n,and h*H and h*E are characteristic lengths for hardness and elastic modulus.The results obtained from inverse analysis show that the elastic-plastic properties of thin films can be uniquely extracted from the solution of this relationship when the indentation size effect has to be taken into account.     

材料参数对3A21矩形管弯曲回弹的敏感性分析

为了解材料参数波动对3A21铝合金薄壁矩形管弯曲回弹的影响,基于动态显式有限元软件ABAQUS,借助多因素敏感性分析方法,建立了薄壁矩形管弯曲回弹敏感性分析模型,对材料参数影响回弹的规律进行了敏感性分析.结果表明：弹性模量是影响3A21薄壁矩形管回弹最敏感的因素,其次分别为强度系数、初始屈服应力及硬化指数;弹性模量对回...