高体积含量颗粒增强复合材料的一个细观力学模型Ⅰ: 弹性分析与等效模量

提出了一种高体积含量颗粒增强复合材料的细观力学模型。该模型将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球, 两颗粒之间的粘接材料(基体) 简化为连接颗粒的一段圆柱体, 假设了圆柱形基体中的细观位移分布形式, 在此基础上分析了一对颗粒之间弹性的细观应力场和细观弹性系数, 将颗粒对的细观弹性系数在空间各个方向上平均, 得到材料的宏观弹性常数, 并建立了宏、细观分析之间的联系。最后用本模型分析了一种实际材料(两种体积含量) , 弹性常数的预测与实验吻合良好, 研究还发现颗粒的空间分布方式对材料宏观弹性常数的影响不大, 而对细观应力的影响显著。      

纤维增强复合材料弹塑性性能的细观研究

基于Mori-Tanaka方法和Eshelby等效夹杂理论,建立弹性阶段基体和纤维平均应力之间的桥联矩阵,导出了该矩阵各元素的显式。鉴于工程实际材料对柔度矩阵对称性的要求并考虑组分材料物理性能和细观几何特征等因素的影响,对所导出的桥联矩阵进行合理简化。引入与基体等效塑性应变相关联的修正参数,以此确定纤维和基体中应力分配。数值结果表明,本文中建立的复合材料非线性理论模型与实验结果吻合较好。      

有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构模型的验证

验证已建立的刚性颗粒增强复合材料刚塑性细观损伤本构理论的合理性和可靠性。将上述本构理论的数值计算结果与SiC颗粒增强的铝基复合材料单轴拉伸实验结果进行比较。结果表明:由此本构模型得到的应力-应变理论曲线与拉伸实验所得的应力-应变曲线基本吻合,从而验证了该本构模型的合理性和可靠性。因此已建立的刚塑性细观损伤本构模型可用于数值计算,在一定程度上可预测颗粒增强复合材料的力学特性。在此基础上对大、小颗粒增强复合材料的延展性、空洞和颗粒体积分数演化规律等作了讨论。      

颗粒增强铝基复合材料细观损伤演化

研究了颗粒增强铝基复合材料韧性断裂的细观损伤演化特征,提出了细观损伤的最弱环模型,并建立了宏观损伤参数与细观损伤机理之间的联系。分析了颗粒尺寸、体积百分比和热处理状态对损伤演化的影响。研究结果表明:宏观损伤演化可以用幂指数形式来表示,细观最弱环模型能够揭示损伤机理,损伤演化模型计算的结果与实验结果吻合较好。     

金属基复合材料热弹塑性变分渐近细观力学模型

基于变分渐近法建立具有周期性微结构的金属基复合材料（MMCs）细观力学模型及相应的增量方程,以准确预测其典型的热弹塑性行为和初始屈服面。利用细、宏观尺度比很小的特点,对单胞变分能量泛函变化进行渐近扩展,计算得到有效瞬时弹塑性刚度矩阵和热应力矩阵;利用迭代均质化及局域化技术模拟MMCs的非线性热弹塑性性能,并通过有限元技术实现相应的数值模型。算例分析表明:该模型能较好地预测MMCs的初始屈服面,并模拟热弹塑性耦合行为,研究成果为MMCs的进一步研究和实际应用提供了技术支撑。      

纤维增强复合材料考虑损伤的温度胀缩细观力学模型

采用细观力学方法,建立了纤维增强复合材料（FRC）包含基体微裂纹和纤维/基体脱粘的热胀/冷缩理论模型。模型考虑了基体、界面中不同分布取向的微裂纹在升温和降温过程中张开、闭合情况的差异,及其对复合材料平均热胀/冷缩系数（CTE/CTC）的影响,同时还考虑了细观应力分布不均匀的因素。建立了细观有限元模型对理论模型进行验证。研究发现：复合材料损伤后CTE和CTC不一致,且取决于损伤模式：基体微裂纹损伤使得复合材料的横向CTE高于无损材料,而横向CTC低于无损材料,但对纵向CTE/CTC影响不大;纤维界面脱粘能较明显地减小复合材料的纵向CTC,但对横向CTC的影响可忽略。     

有缺陷纤维增强复合材料的细观力学

本文沿着细观力学从各向同性到各向异性，从平面问题到三维问题，从线弹性到弹塑性的发展历程，对有缺陷复合材料的细观力学的主要研究领域进行了总结和评述。     

颗粒增强镁基复合材料细观力学场的数值模拟分析

本文借助有限元数值模拟,研究了颗粒增强镁基复合材料的细观力学特征.结果表明,等效应力、应力球量、功耗、最大主应力和最大主应变存在明显的集中现象.尽管外力小于基体的屈服强度,但应力集中可使基体发生微区屈服.复合材料主要的失效形式为界面脱粘和基体开裂,同时,细观力学分析说明,增强体的强化作用主要来自于它对基体应力、应变状态...     

界面损伤对颗粒增强复合材料弹性性能的影响

应用细观力学理论研究颗粒增强复合材料界面损伤问题, 分析颗粒界面局部开裂与均匀开裂同时存在时材料弹性性能的改变, 讨论损伤颗粒形状对材料有效弹性模量的影响。所有分析结果均以显式给出, 以便于研究者参考及工程应用。      

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。     

短纤维增强金属基复合材料的细观塑性变形与宏观性能

本文研究单向短纤维增强金属基复合材料的细现弹塑性变形和宏观弹塑性响应。假设纤维是弹性体,基体是弹性粘塑性体。利用有限元法分析了复合材料可周期性重复的单胞的细观弹塑性应力场;利用体积平均的均匀化方法研究了复合材料的弹塑性应力-应变关系。本工作着重分析复合材料中纤维与纤维、纤维与周围基体的相互作用机理。     

纤维复合材料粘弹性动态性能的细观力学分析

建立了纤维增强复合材料粘弹性动态性能的细观力学模型.首先建立了树脂基体相各向同性的粘弹性模型,模型参数由纯树脂基体材料的蠕变试验获取,在此基础上分别建立了针对单向和正交铺层复合材料的横观各相同性、正交各相异性的细观粘弹性模型.对单向、正交铺层复合材料进行了静态和动态试验,分别通过试验和上述理论模型得到了其阻尼比、动态储存模量、损耗模量和损耗因子,理论预测与试验结果吻合.     

有界面脱粘时颗粒增强金属基复合材料的弹塑性性能分析

基于Mori-Tanaka理论和Eshelby等效夹杂理论,假定基体和增强相界面结合完好,推导出在力的边界条件下两相复合材料各组成相的应力、应变以及复合材料的体平均应变和应力,并考虑了基体和增强颗粒热膨胀系数引起的热应变以及各相塑性应变的影响.在此基础上,假定基体和复合材料均为各向同性材料,颗粒仅产生弹性变形,基体产生弹塑性变形且满足Mises屈服准则和等向强化准则,由颗粒所受的拉应力控制界面的脱粘,脱粘概率由Weibull分布函数来描述,脱粘后的颗粒等效为孔洞,采用割线模量法讨论了球形颗粒增强金属基复合材料有界面脱粘时的弹塑性性能,理论预测与实验结果吻合较好.     

颗粒增强金属基复合材料微屈服行为的细观力学计算

本文采用细观力学模型 ,计算了颗粒增强金属基复合材料的微屈服行为规律。计算模型是以有限元法、应力二阶矩的割线模量法、Eshelby等有效夹杂方法和双夹杂模型等为基础。计算结果表明在基体材料的微屈服规律符合Brown Lukens线性规律的情况下 ,颗粒增强金属基复合材料的σ 〈εp〉1 2 关系也近似呈线性符合Brown Lukens规律。同时计算了增强体颗粒的含量、热残余应力和位错密度等多方面因素对复合材料微屈服规律的影响。     

炭黑增强橡胶复合材料的大变形细观力学模型

为考察炭黑对橡胶复合材料超弹性力学行为的影响,首先,利用不同填充体积分数的炭黑增强橡胶复合材料的准静态力学试验数据,对现有的基于均质化方法的"变形放大"细观力学模型的大变形表征能力进行了评估。其次,在此基础上提出了新的"第一不变量放大"关系,并获得了较为合理的预测结果。最后,利用随机序列吸附算法建立了较接近材料真实细观结构的球形颗粒填充数值模型,进行了大变形情况下的三维数值模拟;为考察颗粒聚集效应的影响,还设置了颗粒均匀随机分布和团聚随机分布两种形式。计算结果与试验数据的对照表明:提出的三维细观数值模型已经能在一定程度上预测填充橡胶的大变形宏观力学行为,且颗粒团聚随机分布模型的预测能力更好一些。试验结果验证了该模型的合理性,所建模型为进一步的相关研究提供了参考。     

预报复合材料热膨胀系数的细观力学模型

建立了一国观力学模型用于预报复合材料的有效热膨胀第数。利用这一模型计算热膨胀系数无需对复合材料进行热应力分析，仅需知道在某一相关外力场作用下，其组分的内部的平均应力场问题即可解决。     

考虑夹杂间相互影响的弱界面颗粒复合材料等效模量预测的一般细观力学方法

基于Ju和Chen提出的颗粒增强复合材料的一般细观力学方法,采用Qu给出的一阶近似修正的Eshelby张量,本文建立了考虑夹杂之间相互影响的含任意分布弱界面颗粒增强多相复合材料等效模量预测的一般细观力学方法,通过体积均匀化方法得到了一组细观力学本构方程。分别推导了忽略夹杂之间相互影响的弱界面多相复合材料宏观模量表达式以及考虑夹杂之间相互影响的弱界面两相复合材料的宏观模量表达式。此外,还给出了几种特殊复合材料体系在考虑界面弱化下的宏观等效性能参数的解析表达式,在界面粘结完好的假设下,给出的表达式均可以退化成经典的细观力学预测结果。在考虑夹杂之间相互影响的情况下,本文预测结果与实验数据吻合很好,验证了模型的有效性。     

颗粒增强高分子基复合材料细观塑性研究

基于基体的Raghava屈服准则,及改进的割线模量法,本文给出了一种细观力学方法来描述由于基体的S-D效应及宏观三轴应力对复合材料塑性变形的影响.