基于Al/PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟

通过细观力学有限元方法对Al颗粒增强聚四氟乙烯（Al/PTFE）复合材料的宏观力学性能进行了研究,基于Al颗粒粒径分布统计规律及通过SEM对该复合材料孔洞含量的统计分析,在细观层次上建立了考虑颗粒和孔洞位置和尺寸分布的随机代表性体积单元（RVE）,借助ABAQUS有限元软件,对二维平面应变和三维实体模型在单轴压缩载荷作用下的力学行为进行了数值仿真;并施加了周期性边界条件（PBC）以提高数值计算结果的准确性。此外,分析了不同颗粒含量下复合材料准静态应力-应变关系,重点对细观有限元模型与准静态压缩试验结果进行了对比分析。研究结果表明:二维和三维2种模型均能较好地模拟Al/PTFE的宏观力学性能,且二维模型较三维模型计算效率更高,并进一步证实了PBC的正确性和有效性。      

TATB填充高聚物复合材料有效热导率数值模拟

在细观层次上将1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）/高聚物（TATB/PBX）视为由TATB颗粒、高聚物及微孔隙组成的三相复合材料。采用蒙特卡罗方法,建立了能够反映PBX细观结构的代表体积单元（RVE）模型,该模型可以生成高聚物颗粒和微孔隙随机分布、填充物体积分数和孔隙率任意调整的有限元计算（FEM）模型。研究了TATB填充体积分数、孔隙率和分布对TATB/PBX有效热导率的影响。结果表明：TATB/PBX有效热导率随着TATB体积分数的增加而增大;在相同的TATB填充体积分数下,随着孔隙率的增大,TATB/PBX的有效热导率呈指数减小,但孔隙的空间分布对有效热导率影响不大。模拟值与实验结果具有较好的一致性,证明所建二维RVE三相有限元模型可以用来预测TATB/PBX的有效热导率。     

细观结构对HTPB推进剂力学性能影响的数值研究

为研究HTPB推进剂细观结构组成对其力学性能的影响,基于分子动力学算法生成了HTPB推进剂的细观颗粒填充模型,并引入双线性内聚力模型来描述颗粒/基体界面处粘结单元的力学响应。通过数值计算得到了不同配方HTPB推进剂单轴拉伸的应力云图和应力应变曲线。比较发现,在受载过程中RDX颗粒/基体界面几乎不发生脱粘,随着RDX含量的增加,推进剂的初始模量显著降低,但拉伸强度几乎不变。结论对HTPB推进剂配方的优化设计具有一定的参考价值。     

纤维丝束带复合材料的有效性能预测与实验测试

依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元（RVE）模型几何结构尺寸,以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法,置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度,置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学（FECM）方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明:各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小,泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知,数值预测结果普遍比实验测试结果偏大,但总体效果较为理想,最大相对误差为6.04%。      

铸造气缩孔缺陷对气缸盖机械性能影响的参数化模型

根据试验所得的某型柴油机RuT300铸铁气缸盖的细观孔洞缺陷照片,利用编译的PYTHON程序实现了含有贴近实际形貌及随机分布孔洞的RVE参数化建模,结合FORTRAN子程序组实现RVE与宏观有限元模型间的数据传递。针对含不同细观孔洞体积分数的工字型试件,在单轴拉伸加载条件下进行了线弹性和弹塑性力学的仿真分析及试验分析,通过结果对比验证了多尺度参数化计算模型的准确性,为进一步的相关动力设计提供了量化参考。     

基于细观层次混凝土骨料模型生成方法研究分析

混凝土细观数值模拟分析成为了一种有前景替代大量宏观试验的方式,但目前数值模拟中缺少成熟的细观力学模型。重点介绍了混凝土的3种细观力学模型,即随机骨料模型、数字图像模型和参数等效化单元模型,详细说明这3种细观骨料模型的生成特点、关键问题和研究成果,对比分析3种细观模型的生成效率、网格化分、计算效率和精确度等,并提出了在这方面有待进一步研究的问题。     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

基于颗粒流离散元模型的弹丸侵彻细观混凝土数值模拟方法研究

利用颗粒离散单元法,研究弹丸侵彻细观混凝土模型中弹丸受到介质的阻应力与侵彻速度的关系。采用蒙特卡罗法随机生成并投放混凝土骨料且骨料的粒径分布满足级配曲线。通过对混凝土颗粒离散元细观力学模型进行单轴压缩实验、巴西劈裂实验和双轴压缩实验的参数反演,确定细观模型参数,能使细观混凝土模型具有和一般混凝土等效的力学性能。分析了骨料、过渡层和砂浆三相材料各细观参数对混凝土单轴压缩应力应变关系影响以及锥形弹和平头弹弹丸直径对侵彻阻应力的影响。将颗粒离散元细观力学模型方法计算的弹丸阻应力与空腔膨胀理论计算模型相比较,表明计算离散元方法具有良好的精度和实用性。     

初始缺陷对复合固体推进剂力学性能影响的数值研究

为了研究复合固体推进剂中初始缺陷对其力学性能的影响,基于分子动力学算法生成了复合固体推进剂的细观颗粒填充模型,在颗粒/基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应,基于ABAQUS有限元数值计算平台研究了颗粒破碎、初始界面脱粘及微孔洞这些初始缺陷对推进剂损伤力学性能的影响规律。通过比较仿真应力-应变曲线,发现初始缺陷的存在严重劣化了推进剂的力学性能,具体表现为拉伸强度降低了40%,初始模量降低了40%。研究指出,颗粒/基体界面粘接性能对推进剂力学性能的影响最为显著,提高界面粘接性能可以大幅提高推进剂的力学性能,研究可为改善复合固体推进剂的配方研制及生产工艺提供一定的指导。     

基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究

提出一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法--随机多尺度力学模型分析方法.从描述混凝土材料的细观尺度入手,首先采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后采用材料特征单元尺度法来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各单元网格的力学特性则采用复合材料等效化方法来确定.通...     

碳纤维随机填充橡胶复合材料导热性能的数值模拟

运用随机顺序添加算法RSA(Random sequential addition method),基于均匀化理论建立了碳纤维填充橡胶复合材料代表体积单元RVE(Representative volume element)模型,利用有限元方法数值模拟研究了碳纤维对橡胶复合材料导热性能的影响。结果表明:在相同的填充分数下,碳纤维根数对复合材料导热性能的影响较小;合理安排碳纤维空间分布及纤维取向能有效提高复合材料的导热性能;复合材料的导热性随着碳纤维填料含量及长径比的增加而增大;与理论模型相比,基于碳纤维填料随机分布模型所得模拟结果与实验值较接近,尤其在高填充分数时与实验值吻合较好,可以更好地预测纤维填料填充复合材料的导热性能,对制备具有高填充分数的高导热复合材料具有一定的指导意义。     

Automatic generation of random distribution of fibers in long-fiber-reinforced composites and mesomechanical simulation

An algorithm for the automatic generation of 2D representative volume element (RVE) of unidirectional long-fiber-reinforced composites (LFRCs) is presented in this paper. Both high fiber volume fraction and random fiber distribution are considered in the RVE. Two procedures which are named as global crisscrossing and local disturbing are included in this algorithm. Based on the model generated, mesomechanical analysis is carried out by using general finite element method (FEM) software ABAQUS. Firstly, the effect of the randomness of fiber distribution on the transverse modulus is investigated. Secondly, user subroutine to redefine field variables at a material point (USDFLD) in ABAQUS is used to simulate the damage behavior. A series of computational experiments are performed to evaluate the influence of mesh size on the ultimate load of the composites. The obtained results prove that the algorithm is capable of capturing the random distribution nature of these materials and the RVE produced could be used for predicting the damage onset and propagation of LFRCs.     

基于RVE单元的藏式古建石砌体均质化研究

在普通砖石砌体结构方面的均质化研究已经较为完善,而在构造、材料存在随机性的古建筑砌体结构方面的均质化研究相对欠缺。该文以有限尺度测试窗法为基础,提出了一种选择砌体结构代表性体积单元(RVE单元)的方法,并与试验和传统有限元模拟结果对比,验证了所提方法的可行性。在此基础上,该文进行了藏式古建石砌体结构RVE单元的选择,探讨了RVE单元的尺寸大小和所包含的组元分布对等效模量的影响,并基于所选RVE单元建立了藏式石砌体结构的均质化模型和整体式模型。结果表明:该选择方法适用于周期性和准周期性砌体结构,能选出与完整结构力学性能接近的RVE单元。随着RVE单元尺寸变大,其Voigt、Reuss等效模量会逐渐向完整结构的模量收敛,呈现先快后慢的变化趋势;组元分布的不同会改变等效模量的收敛程度,但在较大尺寸的RVE单元上,组元分布的影响将被体积造成的影响抵消。该文所建均质化模型能代替传统有限元模型进行局部结构的分析,并给出藏式古建石砌体结构的应力分布规律;所建整体模型能代替传统有限元模型,较为精确模拟结构整体的宏观变形。     

Tensor-valued random fields for meso-scale stochastic model of anisotropic elastic microstructure and probabilistic analysis of representative volume element size

The main objective of this paper is to present a generic meso-scale probability model for a large class of random anisotropic elastic microstructures in order to perform a parametric analysis of the Representative Volume Element (RVE) size. This new approach can be useful for a direct experimental identification of random anisotropic elastic microstructures when the standard method cannot easily be applied to anisotropic elastic microstructures. Such a RVE is used to construct the macroscopic properties in the context of stochastic homogenization. The probability analysis is not performed as usual for a given particular random microstructure defined in terms of its constituents. Instead, it is performed for a large class of random anisotropic elastic microstructures. For this class, the probability distribution of the random effective stiffness tensor is explicitly constructed. This allows a full probability analysis of the RVE size to be carried out and its convergence to be studied. The procedure of homogenization is based on a homogeneous Dirichlet condition on the boundary of the RVE. The probability model used for the stiffness tensor-valued random field of the random anisotropic elastic microstructure is an extension of the model recently introduced by the author for elliptic stochastic partial differential operators. The stochastic boundary value problem is numerically solved by using the stochastic finite element method. The probability analysis of the RVE size is performed by studying the probability distribution of the random operator norm of the random effective stiffness tensor with respect to the spatial correlation length of the random microstructure.     

Representative volume elements for discontinuous carbon fibre composites – Part 1: Boundary conditions

In part 1 of this 2 part paper a method is presented for generating RVE analyses of discontinuous fibre planar distributions of random discontinuous carbon fibre bundles, with no limitation to the fibre volume fraction. An embedded element approach is used to simplify mesh generation for the matrix phase. This approach is shown to yield errors of 1% compared with a more conventional unstructured mesh, whilst offering significant reductions in model size. Periodic boundary conditions are adopted, applying Saint-Venant’s principle to provide an approximation of the effective material properties within an inner RVE region, some distance away from the outer boundary of the model. The critical decay length of prescribing such boundary conditions is shown to be approximately two times the fibre length in all cases, when a heterogeneous material (rather than homogeneous material) is used to model the outer region.     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

考虑界面影响的混凝土弹性模量的数值预测

提出了一种考虑界面过渡层影响的混凝土弹性模量的数值预测方法。将球形骨料与包裹它的界面过渡层作为二相复合球结构的等效颗粒,由广义自洽方法计算不同粒径骨料与界面过渡层组成复合球的有效模量。然后由等效颗粒生成的随机骨料模型建立体积表征单元,施加均匀位移边界条件,通过数值方法计算该体积表征单元中的应力和应变场,由细观力学数值均匀化方法预测体积表征单元的有效弹性模量。计算结果表明:对于不同骨料含量的混凝土,有效弹性模量的预测值与试验值非常接近,界面过渡层的厚度对混凝土的整体弹性性质有较大影响。     

孔隙率对碳纤维/尼龙6复合材料湿热性能影响的数值模拟研究

孔隙在复合材料制造过程中广泛存在,在湿热环境下孔隙的存在会改变应力场和水分场,进而影响复合材料的吸湿性能与力学老化性能。对碳纤维/尼龙6(Carbon fiber reinforced polyamide 6,CF/PA6)复合材料在不同温度浸水环境下吸湿老化后的力学性能测试,研究了温度与吸湿量对其力学性能的影响及强度与模量等力学参数的演化规律,建立吸湿参数与力学参数的关联函数。基于随机顺序吸附法算法(Random sequential adsorption,RSA),建立了纤维、界面和孔隙随机分布的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型。在本构模型中引入依赖于吸湿量的退化因子,研究了孔隙含量对复合材料横向拉伸、压缩、剪切强度和模量的影响,揭示了湿热老化前后不同的失效机制。结果表明：在热湿老化前,由于应力集中,孔隙会导致复合材料力学性能下降,孔隙率含量每增加1%,横向拉伸强度降低6.4%;湿热老化后,基体吸湿塑化效应是复合材料力学性能降低主要因素,对应降低率为3.86%。     

平纹织物复合材料的弹性模量预测

利用细观力学的代表体积元(RVE)法,预测了平纹织物复合材料的弹性模量。建立了表征RVE形态的数学模型,分析了细观结构与宏观性能之间的关系,编制了从组分材料的弹性性能推测复合材料的弹性性能的预测程序。对理论预测进行了实验验证,理论值与实测值在一定误差范围内能较好吻合,说明此预测方法具有一定的可靠性。     

Multi-scale analysis of the early damage mechanics of ferritized ductile iron

A multiscale computational homogenization method for the modeling of hydro-mechanical coupling problem for quasi-brittle materials is developed. The present method is based on an asymptotic expansion homogenization combined with the semi-concurrent finite element modelling approach. Modified periodic boundary conditions and a molecular dynamics (MD) based inclusion or filler generation procedure are devised for the hydro-mechanical coupling problem. A modified elastic damage constitutive model and a damage induced permeability law have been developed for the hydraulic fracturing. The statistical convergence of the microscale representative volume element (RVE) model regarding the RVE characteristic size is studied. It was found that the RVE characteristic size is determined by both the mechanical and hydraulic properties of the RVE simultaneously. The present method is validated by the experimental results for brittle material. The damage zone and crack propagation path captured by the present method is compared with the experimental results (Chitrala et al. in J Pet Sci Eng 108:151–161, 2013). The results show that the present method is an effective for the modelling of hydro-mechanical coupling for brittle materials.