金属基及陶瓷基复合材料界面脱胶引起刚度下降的估算

根据扫描电子显微镜(SEM)及复型技术的断裂机理分析,复合材料纤维-基体脱胶是由于纤维的断裂导致了靠近断裂处的界面上产生很高的剪应力。当这个剪应力超过界面的剪切强度,断裂处附着的纤维将会与基体产生脱胶。本文依据上述断裂机理,提出了一金属基及陶瓷基复合材料界面脱胶引起刚度下降估算的数学模型。分析结果表明,这些复合材料的刚度降较聚合物基的刚度降小,但随纤维与基体扬氏弹性模量的比值而增加。     

不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.     

纤维分布与界面强度对复合材料横向压缩性能影响分析

建立了纤维随机分布代表性体积单元微观力学模型,采用随机扩张算法生成纤维随机分布模型,微观有限元模型中采用内聚力单元和Drucker-Prager弹塑性准则分别对界面和基体的力学行为进行描述,分析研究了纤维分布形式与界面强度对复合材料横向压缩性能的影响。结果表明纤维随机分布是引起复合材料横向压缩强度不稳定的一个因素;基体剪切塑性损伤而不是界面损伤在复合材料横向压缩破坏过程中起主导作用,因而采用无界面单元模型可以简化建模、不需要考虑界面强度取值,并能很好地预测复合材料横向压缩强度与压缩损伤破坏形貌。     

复合材料的受压混杂效应分析

一种理论分析的方法首次应用在单向混杂复合材料的压缩混杂效应研究上。这种分析建立在一个相同的基体材料中不同种类的纤维的失稳分析上。这种分析还依赖于基体的弹性以及纤维在基体中的弯曲刚度。分析模型假定在基体中的低弯曲刚度的纤维首先发生失稳现象,当压力增加时,基体中具有高弯曲刚度的纤维也随之失稳,最后导致整个复合材料的破坏。这里,由于低弯曲刚度的纤维失稳,使基体产生横向变形,这种变形是有利于提高高弯曲刚度的稳定能力。这种分析的结果表明:通过纤维的混杂,对复合材料的压缩强度产生混合增强的效应。     

高温下Al2O3／Al合金复合材料的界面稳定性和拉伸强度

利用挤压铸造制备了Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ合金复合材料，研究了高温下复合材料的界面稳定性和拉伸强度，结果表明，在Ａｌ２Ｏ３／ＺＬ１０９复合材料中，纤维与基体之间的界面上发生了化学反应，有利于纤维与基体的结合；在高温下界面层结构稳定，与基体合金相比。Ａｌ２Ｏ３／ＺＬ１０９复合材料具有较好的高温拉伸强度，工作温度可提高１００℃以上，另外，分析了Ａｌ２Ｏ３／ＺＬ１０９复合材料高温拉抻的失效形式。     

基于连续介质损伤模型的复合材料连接件失效分析

对4种不同铺层顺序的复合材料销钉连接件进行了挤压试验,得到复合材料销钉连接件的挤压强度和弦向挤压刚度,分析了载荷方向偏角对失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度的影响规律。基于连续介质损伤力学理论,建立了复合材料销钉连接件在挤压载荷下的三维非线性数值模型,其中,采用最大应变准则预测纤维损伤的萌生,损伤演化规律则采用双线性损伤本构关系。基于物理失效机制的Puck准则对基体损伤的起始进行判定,根据断裂面内的等效应变表征基体损伤的扩展。该模型还考虑了剪切非线性和就地强度效应对挤压强度和损伤扩展的影响。基于此模型分析了销钉连接件在挤压载荷下的失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度。试验结果和计算结果较好吻合,验证了模型的准确性和适用性。     

纳米SiO2对SMA复合材料界面强度的改善

形状记忆合金纤维与基体之间较弱的界面粘结强度在很大程度上限制了其发展与应用.本文试图用纳米SiO2颗粒来改善形状记忆合金复合材料的界面力学性能,并讨论了不同种类以及不同含量的纳米SiO2颗粒对形状记忆合金复合材料界面强度的影响,并采用扫描电镜和透射电镜的方法分析了其作用机理.实验结果表明,纳米SiO2颗粒的加入能够有效提高形状记忆合金纤维增强复合材料的界面粘结强度.     

杂化涂层对玻璃纤维/环氧树脂复合材料高温场下界面性能的影响

以杂化涂层处理后的玻璃纤维(GF)为增强材料,以环氧树脂(EP)为基体,制备出单根GF/EP复合材料。利用扫描电镜(SEM)观察和单纤维复合材料断裂试验,对高温热处理后的复合材料断面形貌和界面剪切强度进行分析。结果表明:杂化涂层的存在降低了GF与EP基体间热线性膨胀系数不匹配性,使GF/EP复合材料的耐热性能得到有效提高,其界面剪切强度较未改性前提高了68.9%。     

纤维-基体早龄期界面性能的影响因素

通过自行改造的测试系统,实现了对早龄期纤维增强水泥基复合材料体系中纤维–基体界面性能的测定,考察了龄期、基体组成、埋入深度、纤维表面特征等因素对界面性能的影响规律.结果表明:随着龄期的增加,界面的黏结强度逐渐增加,相对密实的基体组成有利于提高界面性能;随着埋入深度的增加,纤维–基体的界面黏结强度降低;而三角形截面及化学沉积改性的纤维与基体之间具有更高的界面黏结强度.     

界面性能对晶须增强树脂基复合材料力学行为的影响

用碳化硅晶须、光敏树脂合成了光固化用树脂基复合材料,并对材料进行了拉伸测试,测试结果表明复合材料的实测拉伸强度与理论值相差较大;在实验的基础上进一步建立了复合材料的界面相模型,采用有限元方法分析了界面性能对晶须增强树脂基复合材料力学行为的影响.结果表明:界面性能对晶须承受轴向应力的影响远大于对树脂基体的影响,晶须界面剪切应力与界面结合强度成正比,晶须端面应力集中系数随界面结合性能的增强而递增.     

Mechanical performance of shear studs and application in steel-concrete composite beams

This work experimentally investigates the effects of shear stud characteristics on the interface slippage of steel-concrete composite push-out specimens. ABAQUS is used to establish a detailed 3D finite element(FE) model and analyze the behavior of push-out specimens. The modeling results are in good agreement with the experimental results. Based on parametrical analysis using the validated FE approaches, the effects of important design parameters, such as the diameter, number, length to diameter ratio, and yield strength of studs, concrete strength and steel transverse reinforcement ratio, on the load-slip relationship at the interface of composite beams are discussed. In addition, a simplified approach to model studs is developed using virtual springs with an equivalent stiffness. This approach is demonstrated to be able to predict the load-displacement response and ultimate bearing capacity of steel-concrete composite beams. The predicted results show satisfactory agreement with experimental results from the literature.     

基于Neumann随机有限元法的复合材料压力容器的应力分析

利用Neumann级数展开的Monte-Carlo随机有限元法，分析了纤维缠绕壳体在内压及材料工程常数随机变化作用下的应力响应，绘出了最大应力响应分布曲线，为该类结构可靠性评估及可靠性设计提供了应力响应数字依据。     

CRCP冲断区域后续开裂及影响因素分析

为了对冲断区域后续开裂产生原因及影响因素进行研究,首先考虑水泥混凝土细观上是由胶凝材料、集料及其界面组成的非均匀材料,采用PFC2D软件从细观尺度上进行水泥混凝土抗压强度和弯拉强度数值模拟试验,得到水泥混凝土的弹性模量和弯拉强度;然后考虑连续配筋混凝土路面( CRCP)冲断区域特点,利用有限元软件建立CRCP宏观受力分析模型,结合混凝土细观研究所得弹性模量和弯拉强度,对车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下的冲断区域路面板后续开裂进行研究;最后分析水泥混凝土细观结构组成参数和宏观影响因素对冲断区域后续开裂的影响。研究结果表明：水泥掺量、水泥强度及集料和胶凝材料界面刚度对冲断区域路面板后续开裂影响较大,车辆超载和板底脱空是冲断区域路面板后续开裂的主要原因。     

任意截面钢筋混凝土柱单元模型

提出了任意截面钢筋混凝土梁柱结构体系的单元模型,该单元模型同时考虑了材料非线性和几何非线性对结构体系的影响.采用三次多项式模拟混凝土、钢筋的本构关系,所推导的单元刚度计算简单、概念清晰,是单元材料非线性刚度矩阵、几何非线性刚度矩阵和位移与内力相互作用矩阵的简单迭加.提出的任意截面钢筋混凝土柱单元模式,含义清楚、计算简便,可用于分析钢筋混凝土柱因材料破坏、失稳破坏或材料非线性与结构失稳综合产生的极限承载力计算,所建立的有限元模型很容易与其他有限元模型兼容.理论分析结果与实验结果吻合较好.     

压电智能桁架结构/控制系统的波动分析及优化设计

基于波动的观点，分析了压电智能桁架结构／控制系统的行波动力学模型，并从能量观点进行控制器设计。结构单元中传播的波在节点处反射、散射，考虑节点处的位移和力的边界条件，将局部波动模型合并成总体模型，并相应建立了结构／控制系统的一体化优化设计模型。数值算例的结果表明，该方法是可行的和有效的。     

Effect of Fiber Volume Fraction on Longitudinal Tensile Properties of SiC_f/Ti-6Al-4V Composites

The longitudinal tensile properties of SiC_f/Ti-6Al-4V composites with different fiber volume fractions were simulated by the Monte Carlo 2-D finite element model. The random distribution of fiber strength was expressed by the two-parameter Weibull function. Meanwhile, contact elements and birth-death elements were used to describe the interfacial sliding process after debonding and fiber breakage(or matrix cracking) respectively, which was realized by subroutine complied in ANSYS-APDL(ANSYS Parametric Design Language). The experimental results show that the yield stress and ultimate tensile strength of SiC_f/Ti-6Al-4V composites increase with increasing fiber volume fraction, while the corresponding strain of them is just on the contrary. In addition, almost the same failure mode is obtained in SiC_f/Ti-6Al-4V composites with various fiber volume fractions when the interfacial shear strength is fixed. Finally, the tensile strength predicted by finite element analysis is compared with that predicted by Global load-sharing model, Local load-sharing model and conventional rule of mixtures, thus drawing the conclusion that Local load-sharing model is very perfect for the prediction of the ultimate tensile strength.     

3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能数值模拟研究

为深入研究3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能,基于3D打印混凝土永久模板叠合柱及同尺寸整体现浇对照柱试验建立构件数值模型,模拟分析其轴压荷载-位移响应及失效形态。针对界面粘结性能、现浇混凝土抗压强度、打印模板厚度、荷载偏心距等参数开展3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能计算分析,研究表明：叠合柱轴压极限承载力随着薄弱界面剪切强度、刚度及现浇混凝土抗压强度的增大而增大。由于打印材料的抗压强度高于现浇混凝土,叠合柱抗压极限承载力提升率与打印模板厚度呈近似线性关系,叠合圆柱的抗压极限承载力随着荷载偏心距的增大而降低,呈近似线性负相关。此外,偏心距对叠合圆柱极限承载力下降幅度的影响大于现浇圆柱。     

卧式双机联合自动钻铆系统综合刚度研究

为分析卧式双机联合自动钻铆系统中多轴机床的刚度特性分布规律,定量分析该机床末端弹性变形. 建立多轴机床的运动学模型,确定运动关节、柔性运动轴和末端执行器为其末端变形主要来源;针对柔性运动轴与末端执行器的力学特性,采用有限元法得到其对应坐标系内的刚度矩阵;针对运动关节,采用试验法得到关节空间内的刚度矩阵;通过雅克比矩阵法建立运动关节的增强型末端刚度矩阵,通过点传递法建立柔性运动轴的末端刚度矩阵;基于弹性小变形理论,综合各个变形来源的末端刚度矩阵建立多轴机床的综合末端刚度模型;通过实际测试,该刚度模型与实验结果误差小于10%,证明了该综合刚度模型的准确性.     

钢筋混凝土平面问题单元模型研究

针对现有钢筋混凝土平面单元模型所存在的问题 ,建立了在各种配筋形式下钢筋混凝土平面问题四边形单元组合模型 ,导出了这些模型的单元刚度矩阵的一般表达式 .与弥散单元模型的对比分析表明 ,组合单元模型不仅符合有限元离散的基本理论 ,而且可较精确地反映钢筋的实际结构作用 ,具有较强的实用性 .