隧道衬砌背后注浆复合材料等效弹性模量研究

目的 研究地铁隧道衬砌背后注浆复合材料的等效弹性模量,使力学模型更符合工程实际.方法 将注浆材料当成理想弹性体,利用均匀化方法,研究单胞的宏细观尺度函数性质.利用摄动技术,将宏观结构中一点的位移、应力等展开为与细观结构尺度相关的渐进展开式,得到一系列摄动控制方程.结合弹性力学基本方程,联立求解得到等效刚度矩阵.将两种材料的三维弹性刚度矩阵的具体形式代入前面推出的公式,求出复合材料的等效弹性模量的具体计算解析解.结果 由任意弹性模量的两种材料以任意配比混合而成的隧道衬砌复合材料都可以直接应用公式求解等效弹性模量.对于各种配比的复合材料,当砂砾所占体积为0时,复合材料的等效弹性模量都是混凝土本身的弹性模量;当砂砾所占体积比率为1(混凝土体积为0)时,复合材料的等效弹性模量都是砂砾本身的弹性模量;其他配比时在曲线上呈规则分布.复合材料的等效弹性模量小于用体积平均法求得的等效弹性模量.当砂砾和混凝土的弹性模量相差越大时,回填层的等效弹性模量和用体积平均法求解结果相差越大.随着砂砾弹性模量的增大,复合材料的等效弹性模量呈增大趋势.结论 用均匀化方法求得的复合材料的等效弹性模量值小于用体积平均法求得的数值,更能真实反映材料力学性能.     

夹芯复合材料耐压壳舱段仿真计算及临界环肋高度确定方法研究

本文基于Abaqus有限元仿真软件,针对夹芯复合材料耐压壳舱段有效支撑的临界环肋高度问题进行了计算分析.论文首先结合相关试验结果,对仿真计算方法进行了验证.然后建立了共3个系列15个有限元模型,对在不同腹板铺层方式、不同尺寸的T型截面舱段环肋结构支撑下的夹芯复合材料耐压壳长舱段进行了临界屈曲载荷的计算,并得到以下结论.通过设置环肋可以有效地增加夹芯复合材料耐压壳长舱段的稳定性.当环肋的支撑刚度增加到一定值时,长舱段的屈曲模态会从整体屈曲转变为被环肋边界限制在舱段范围内的的多段的单分段屈曲模态,该环肋高度称为环肋有效支撑的临界环肋高度.环肋有效支撑的临界高度可以通过屈曲载荷随腹板高度的增长趋势图中两段直线的交点位置来确定.当环肋高度大于临界环肋高度时,结构的分段屈曲载荷与环肋的属性关系不大,主要与夹芯圆柱壳自身的尺寸与材料属性有关.经计算,本文所分析的夹芯复合材料耐压壳结构其分段自身屈曲载荷可达7.0MPa.     

C/C复合材料制备过程中的有效弹性模量预报

为了对C/C复合材料在不同温度条件下的制备工艺提供实际指导,本文根据沥青基先驱体C/C复合材料制备过程中化学反应特征,利用Arrhenius方程建立了C/C复合材料液相制备工艺力学模型.根据制备工艺中各组分相的体积分数变化,结合均匀化方法和细观力学方法计算和分析了制备工艺过程中材料基体有效弹性模量及其变化规律,并且利用有限元方法预报了制备成型后的细编穿刺C/C复合材料的整体有效弹性模量.     

多尺度方法预测复合材料层板裂纹扩展

为了研究复合材料层板在细观和宏观尺度上的损伤分布,文中基于高精度通用单胞细观力学模型,发展了一种多尺度分析方法．该方法只需纤维和基体的材料属性、强度参数及纤维体积含量,而无需复合材料层合板的弹性参数和强度参数．文中使用该方法分析了复合材料结构的宏细观上的应力应变场;结合多尺度损伤模型,研究了复合材料的细观损伤以及宏观的裂纹扩展;通过二次开发ANSYS／LS-DYNA软件,文中将高精度通用单胞细观力学模型编译到用户自定义材料子程序中;使用这种方法分析了开孔层板轴向拉伸条件下的各个分层的应力分布、组分失效模式和裂纹扩展．并将计算结果与实验结果对比,结果表明: 数值模拟随时间变化的应力曲线与实验所得的曲线能较好的吻合; 预测的裂纹扩展与实验结果比较吻合．     

环肋壳体应力的有限元分析

分析环肋壳体这种复杂结构的应力分布规律,现行的解析法往往是无能为力的,但有限元方法却大有用武之地.本文首先从环肋园柱壳入手,把肋骨与壳板作为一个整体承受外压力,在壳中的应力分布,除肋骨应力外,与理论分析(解析法)的结果很接近.对于肋骨应力而言,由于在解析法中把肋骨作为壳体的弹性支座,两种不同的方法给出不同的结果.因此在用解析法的公式计算内肋骨应力时,应该作适当修正.在研究环肋壳体的超差加强时,应该特别注意这一点. 本文接着指出锥-锥-柱结合壳的有限元应力分析程序能够作为通用程序耒分析各种环肋壳体的应力分布规律,并且给出足够的精确度. 最后,着重探讨了壳板与仓壁连接处,以及锥-柱结合壳凹结合处的应力分布规律得到了一些相应的结论.     

不完美界面聚合物基纤维复合材料的黏弹性行为

为预测具有不完美界面的聚合物基纤维增强复合材料在时域下的黏弹性响应,在细观力学均匀化模型的基础上,研究了基体黏弹性对复合材料宏/细观特性的影响。根据弹性-黏弹性对应原理建立了基于均匀化理论的复合材料黏弹性性能评估方法,即将边值问题和材料均匀化本构引入Laplace域中进行求解,然后将材料的宏/细观响应通过性能较稳定的Zakian方法转化到时域当中,从而避免对含有积分形式的黏弹性本构进行分步迭代。另外,与经典唯象理论以及数值方法不同,细观力学方法LEHT采用了Trefftz概念,即通过求解偏微分方程得到微元体内部位移和应力的解析表达。引入带有刚度的弹簧模型用于描述界面处的损伤情况,并与纤维/基体的解析表达的函数正交性结合,实现了界面的精确模拟。最后通过周期性变分原理对晶胞施加周期性边界条件,并建立宏观均匀化本构用于预测材料的宏观性能。结果表明：该方法不仅能实现材料长期性能的高效预测,同时还原了代表性晶胞内的局部应力重分布来解释宏观模量衰退的影响。     

潜艇耐压液舱壳板强度的计算方法研究

以往在对潜艇耐压液舱进行强度和稳定性计算时,通常将耐压液舱视为等效环肋圆柱壳.虽然液舱壳板是由不同半径和不同厚度的壳板组成,但计算方法是套用了环肋圆柱壳的计算方法,所不同的是引进了相当肋骨概念.而通过分析这种计算方法发现在理论上存在着很多不足之处,由于不同半径壳板的曲率变化,使得壳板中产生了很大的周向弯曲应力,因而套用环肋圆柱壳的计算方法忽略周向弯曲应力就偏于危险.鉴于此,将耐压液舱近似看作为一扁度较小的椭圆柱壳,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法、相当半径方法和复变函数方法分别进行计算.实例计算结果表明:对于相同的椭圆柱壳,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法比相当半径方法和复变函数方法计算更准确;在扁度较小的情况下,与环肋圆柱壳方法相比,采用椭圆形耐压指挥室的强度计算方法得到的计算结果更符合实际情况.     

短纤维增强复合材料动态剪切模量及热膨胀系数预报

为了加强对短纤维增强复合材料的细观动态及热失配性能预报,利用Eshelby等效夹杂理论,通过三参数粘弹性本构模型,研究了Glass/ED6短纤维增强复合材料的粘弹性响应机理,并对该材料动态剪切模量及碳/环氧材料热膨胀系数随温度变化的规律进行了预报.结果表明,材料的剪切模量与组分间的体积分数以及加载频率间联系紧密,有效热膨胀系数与温度密切相关.通过曲线可以发现,当加载频率值较高时,动态剪切模量主要由实部决定;而当纤维的体积分数较大时,动态剪切模量的变化主要由虚部决定,这将使材料力学性能计算过程得到简化.针对碳/环氧材料,通过研究发现随着温差的增大,材料的热膨胀系数随之下降.     

纤维混凝土弹性模量的细观力学求解方法

应用细观力学理论中的Mori-Tanaka法和Eshelby等效夹杂法求解了纤维混凝土的弹性模量,对影响纤维混凝土弹性模量的若干参数进行讨论,得出纤维混凝土的弹性模量为砂、石、纤维和水泥（基体）4种组分物理性能和体积率等不同参数的函数。通过比较理论解和已有试验数据可知,二者吻合较好,证明利用细观力学的理论求解纤维混凝土弹性模量是一种可行并有效的方法。     

二维复合材料微结构的力学响应计算

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的“性能导向型”设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义。利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现二维复合材料微结构的细观应力响应计算。     

非均匀性对纤维增强复合材料力学性能的影响

研究了材料介质细观非均匀性对纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能的影响。结果表明，材料介质越均匀，复合材料的弹性模量就越接近理论值，其峰值强度也越大：同时，复合材料的非线性行为降低。破坏前的预兆现象减少，并得到相应的声发射结果。     

界面弹性模量对纤维增强复合材料力学性能的影响

研究界面弹性模量对纤维增强脆性基复合材料宏观力学特性和失效破坏机理的影响.从细观角度考虑材料介质力学参数的非均匀分布,对具有不同弹性模量界面的纤维增强复合材料的损伤破坏过程进行了数值模拟.结果表明,柔性界面可显著提高复合材料的宏观韧性;刚性界面不能有效改善材料的脆性.可观察到考虑柔性界面时的界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象,而刚性界面复合材料的破坏路径表现出完全不同的特性,同时得到相应的声发射模拟结果.     

降低低频线谱的阻抗增强环肋圆柱壳结构设计

为降低水下航行体的低频线谱,对环肋圆柱壳进行了阻抗增强设计.基于模态分析理论分析了利用机械阻抗进行振声控制的机理,指出利用肋骨的不等截面、附加阻抗增强设计可以有效抑制圆柱壳的低阶"优势模态";根据阻抗失配和波型转换原理在肋骨腹板上添加振动阻尼物,采用波动理论分析了振动波传递特性,给出了具有高传递损失的阻抗增强肋骨设计方法.在上述基础上,提出一种阻抗增强环肋圆柱壳结构,对该新型肋骨加强圆柱壳振声性能进行了分析.结果表明提出的阻抗增强肋骨环肋圆柱壳不仅可以有效降低壳体振动均方速度,还大幅削弱了低频噪声线谱,具有较好的减振降噪效果.     

材料参数对短纤维增强金属基复合材料变形行为和性能的影响

运用大应变弹塑性有限元方法和修正混合律,研究了材料参数（纤维长径比、体积分数、根间距）对短纤维金属基复合材料变形行为和性能（弹性模量和屈服应力）的影响。研究结果表明,低应变阶段的应力应变分配系数与复合材料弹性模量之间存在确定的关系,预测的弹性模量与试验结果及Ｅｓｈｅｌｂｙ模型吻合得很好,屈服应力明显小于基体屈服强度。     

定量确定PFC3D细观参数

细观参数的标定对于应用PFC研究岩石材料的力学特性和破坏机理具有重要意义.本文首次采用均匀设计的方法来确定三维离散元颗粒流程序中平行粘结模型的细观参数.通过分析细观参数对宏观参数(弹性模量E、泊松比ν、单轴抗压强度σc、起裂应力与单轴抗压强度比σci/σc)的影响规律,得到细观参数的变化范围,从而建立了细观参数均匀设计...     

锚固岩体复合材料力学性质的数值模拟研究

将岩体锚-杆支护系统看作一种由岩体（基体）法和观点建立锚杆、锚杆（增强材料）和砂浆（粘结材料）组成的复合材料，利用复合材料力学的方加固岩体的细观力学等效模型，建立岩体-锚杆支护系统复合材料的宏观力学性质与其组分材料性能及细观结构之间的定量关系，从整体上评价该支护系统的增强效果。同时。在ANSYS分析软件的基础上利用APDL进行二次计算程序开发，选取岩体-锚杆复合材料代表单元体，通过对单元体进行单轴和三轴数值模拟试验，得到锚固岩体复合材料的等效应力-应变关系，并研究了其等效强度性质。     

新的高强度钢环肋圆锥壳破坏载荷的理论分析与实验研究

通过新的高强度钢材环肋圆锥壳模型实验，及采用解析方法分析表明，环肋圆锥壳体破坏的原因是结构相对薄弱处纵剖面上的中面应力所致。并提出用“灰色系统”理论预测破坏载荷的计算方法，建议今后模型实验和现役潜艇的耐压船体寿命估算中可采用这种方法。     

杂交型椭球面网壳参数化设计及受力性能分析

杂交型椭球面网壳克服传统单一型椭球面和球面网壳随跨度S和环向区域份数K_n增加,结构顶点杆件数量增多而带来的杆件种类和尺度变化大等缺点,从而提高了结构的合理性,改善了结构的受力性能。文章根据杂交型椭球面网壳特点,采用APDL(Ansys Parametric Design Language)语言,研制了杂交型椭球面网壳参数化设计宏程序;以凯威特—肋环杂交椭球面网壳为例,应用ANSYS软件对其进行了受力性能分析。结果表明:同等工况下,凯威特—肋环杂交椭球面网壳顶点附近应力和位移均较小、且分布均匀,避免了单一网壳类型顶点附近应力集中现象,其受力性能优于单一类型凯威特、肋环型椭球面网壳;凯威特—肋环杂交椭球面网壳结构受力(2.35 N/m~2)后的最大位移和最不利应力随跨度的增加而逐渐增大,当跨度S_1≥110 m,K_n=6或K_n=8时最不利应力超过许用应力,工程中建议跨度上限为90~100 m。     

Review：A Critical Assessment on the Predictability of 14 Micromechanics Models for the Stiffness and Strength of UD Composites

综述：14种细观力学模型预报单向复合材料刚度和强度能力的严格评估

黄争鸣,张春春

（同济大学 航空航天与力学学院,上海 200092）

创新点说明：

任何最初为预报复合材料刚度（弹性性能）所建立的细观力学模型,都可用来合理预报复合材料的强度,只需将基体的均值应力转换成真实应力即可。本文以三届世界范围破坏评估的数据为基准,对14种著名细观力学模型预报单向复合材料刚度和强度的能力进行了严格评估。桥联模型预报复合材料刚度和强度的精度都是最高的。此外,它还是唯一满足内应力计算一致性的理论。非一致性意味着复合材料的等效性能应该基于三维分析得到。本文还证实,具有最小纤维体积的代表性单元将导致对复合材料等效性能的最佳近似。

研究目的：

1、评估各种细观力学模型预报复合材料刚度和强度的能力;

2、指出应力计算一致性的意义与作用;

3、说明代表性的体积越小,效果越好。

研究方法和结果：

采用案例分析;完全基于纤维和基体材料的原始性能,14种细观力学模型预报9组复合材料刚度的平均误差最小10.38%,最大30.72%;预报这些复合材料强度的平均误差最小21.1%,最大45.1%。预报刚度的精度排序与预报强度的精度排序大体相同。桥联模型预报刚度和强度的平均误差分别都是最小的。

结论：

只要将基体的均值应力转换成真实应力后,任何细观力学模型就不仅可以预报复合材料的刚度,还可以合理预报复合材料的强度。但是,除了桥联模型,任何其他模型需要应用其三维理论分析复合材料的等效性能,二维理论只能得到近似结果。

关键词：复合材料;力学性能;细观力学;应力集中系数;真实应力;代表性单元;应力计算一致性

     

单丝复合体系界面力学行为的表征

界面是纤维增强树脂基复合材料的重要细观结构,极大程度地影响着该材料的宏观性能以及破坏模式.单丝复合体系是界面力学性能表征的主要研究对象.从细观力学实验,细观力学模型以及数值模拟3个方面出发,全面地阐述了单丝复合体系界面力学行为表征的手段和方法.细观力学实验是建立细观力学模型以及发展数值模拟方法的基础,应充分利用三者的关系,建立完善的界面性能表征体系,以便更加准确的预报复合材料的力学性能,满足各个行业的要求.