形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的力学行为

基于Eshelby等效夹杂方法和Mori-Tanaka的平均化理论推导了针对SMA短纤维增强弹塑性基体复合材料的细观力学模型。利用此模型,分析了这种复合材料的力学行为,讨论了材料温度、纤维体积分数和纤维特征形状等参数对复合材料残余应力和残余应变的影响。这对复合材料的分析和设计都有重要的意义。      

纤维增强复合材料本构模型研究进展

本文对纤维增强复合材料的本构模型最新研究成果进行简要阐述和归纳,并结合实例进行了相关数值模拟计算。文中阐述的复合材料为纤维增强树脂复合材料、纤维增强金属基复合材料和纤维编织复合材料。目前,关于纤维增强金属基复合材料的研究较少,大多数研究集中在纤维增强树脂复合材料和纤维编织复合材料。许多学者在经典弹性本构模型和连续介质力学基础上,推导出了一些弹塑性、粘弹性和考虑损伤的非线性本构模型。通过实例计算结果表明,考虑损伤导致刚度退化的复合材料弹塑性本构模型计算得到的拉伸应力应变曲线与测试结果基本一致。本文通过对复合材料本构模型的最新研究成果的归纳和数值模拟实例计算,为后续研究工作提供借鉴,推动其在实际工程中的应用。     

埋入SMA丝的复合材料层合板在热激励下的自由振动分析

采用Liang-Rogers的形状记忆合金(SMA)本构模型和相变动力学关系,编写了ABAQUS中的相应UMAT用户材料子程序,模拟了形状记忆合金材料的超弹性行为和形状记忆效应,并在不同温度和应力状态下验证了程序的正确性.基于此程序,建立了埋入SMA丝的复合材料层合板结构计算模型,仿真计算了两端固支边界条件下,热驱动SMA时的结构的固有振动特性,分析了SMA丝的热驱动温度,埋丝数量及埋设方式等对结构热振动特性的影响规律.模拟结果表明:加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率,增加SMA丝的数量可以实现增大结构频率的目的;不同的埋设角度对结构的振动特性影响显著.这些结论将对智能复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用.     

界面对双向纤维增强复合材料力学性能的影响

基于均匀化理论与有限元方法,针对双向连续纤维增强复合材料(CBFRC),建立了微观代表体积单元(RVE)模型,并预测了界面对CBFRC宏观等效力学性能的影响。在建立的RVE模型中,采用表面内聚力本构关系描述纤维/基体之间的界面。研究结果表明:不同界面刚度下,CBFRC中的基体发生不同形式的初始损伤。与界面断裂能相比,界面刚度和界面强度对CBFRC面外抗拉强度的影响较大,而对CBFRC面内抗拉强度的影响较小,且界面的存在会降低CBFRC整体的抗拉强度。随着纤维体积分数的增加,CBFRC面内的抗拉强度也随之急剧增加,但CBFRC的面外抗拉强度反而有减小的趋势。本文中所提出的方法能够简单有效地对实际复杂的三维纤维增强复合材料进行优化设计。     

拉压异性纤维增强树脂基复合材料弹塑性问题的有限元分析

为了对复杂的非线性问题进行便捷求解,首先提出了考虑拉压异性的纤维增强树脂基复合材料统一非线性本构模型;然后,在此基础上进一步导出了本构模型的三维表现形式,以适用于非线性有限元分析工具的开发;随后,利用有限元软件ABAQUS提供的用户自定义子程序UMAT,自编了在二维和三维情况下的弹塑性应力分析程序;最后,应用程序对复合材料单向板和复合材料斜交板在偏轴拉伸/压缩下应力-应变曲线的预测与测试结果进行了比较,探讨了复合材料悬臂梁的弹塑性问题,并分析和比较了有无考虑拉压异性情况下应力分布和挠度响应的差异。结果表明:运用所提出的本构模型对考虑拉压不对称问题的弹塑性变形分析十分有效,这一本构模型有望成为实用数值分析工具,进而指导工程实践。     

长纤维增强聚合物注塑件翘曲变形数值模拟

基于长纤维增强聚合物注塑件的纤维分布,运用Mori-Tanaka复合材料性能均质化理论模型,采用耦合有限元方法,分别建立了长纤维增强聚合物材料的弹性、弹塑性本构关系,研究了材料本构对翘曲变形模拟结果的影响程度,分析了主要纤维参数对翘曲变形的影响规律.结果表明,基于弹性、弹塑性材料本构的翘曲变形形状均为穹顶结构,但弹...     

形状记忆合金丝增强复合材料的热机特性——智能复合材料研究

在形状记忆合金丝增强复合材料中,形状记忆合金丝作为分布式驱动器使复合材料具有自适应功能.本文根据形状记忆合金的一维本构关系,对形状记忆合金丝增强复合材料的温度与应力、应变关系进行理论探索;对形状记忆合金丝增强复合材料的拉伸性能、温度变化时的自由回复和受限回复性能进行了实验,并与模拟计算结果进行了比较.     

玄武岩纤维增强木塑复合材料的力学性能

研究了用短切玄武岩纤维(BF)增强木塑(WPC)复合材料(BF/WPC)体系中, BF的含量与BF/WPC力学性能之间的关系, 定性探讨了纤维增强机制。结果表明, 与WPC相比, 除断裂伸长率有所下降之外, BF/WPC的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度均有明显提高, 且这些性能取得最大值时BF的质量分数分别为15%~30%、15%~25%、20%~30%, 提高的幅度约为30%。提出了"弱端面"的定性假说, 由此解释了BF/WPC各项强度指标与增强纤维含量之间存在着最大值现象的原因。      

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

形状记忆合金纤维在变轴力作用下的力学性能研究

对形状记忆合金纤维拔出的力学模型进行了探讨和简化。以一维的Liang-Rogers本构模型和Tanaka给出的指数型马氏体含量关系为基础,给定界面摩擦力的取值范围,并考虑其对纤维的作用,给出了恒温条件下加载和卸载过程中脱胶区纤维的伸长量与外载荷、摩擦力的关系式,及相关的系列曲线图,得到了界面摩擦力对形状记忆合金纤维力学特性的一些影响。由于余弦和指数模型得到的结果吻合良好,该文的变轴力模型具有一定的合理性。     

粘弹性复合材料力学性能的细观研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了复合材料的粘弹性问题。通过时间域内的Laplace变换及对应性原理,将问题线性化,预报了颗粒增强复合材料的蠕变本构关系,给出了材料模量随时间、夹杂体积分数的变化规律,并与实验结果对照,吻合较好。      

纳米碳管增强铜基复合材料的力学性能和物理性能

制备了纳米碳管增强铜基复合材料,研究了材料的一些重要力学和物理性能.结果表明:复合材料中纳米碳管的分布较均匀,其最佳体积分数为12%～15%.材料的断裂以纳米碳管的拔出和桥接为主,磨损主要是氧化磨损.热膨胀系数αc约为9.36×10-6/℃,存在加热-冷却膨胀曲线滞后现象.材料的电阻率约为2.7×10-6Ω·cm,孔隙率是电阻率的重要影响因素.     

纤维类型对纤维增强SiC基复合材料性能的影响

对比了采用先驱体浸渍法制备的三种不同纤维增强SiC基复合材料的性能差异,并从材料的微观结构特征入手分析了差异产生的原因。通过研究发现,采用Hi-Nicalon纤维增强的SiC基复合材料具有较好的性能,单向复合材料弯曲强度达到703.6 MPa, 断裂韧性达到23.1 MPa·m1/2;采用国产吉林碳纤维(JC)制备的SiC基复合材料也具有较好的性能,弯曲强度为501.1 MPa,断裂韧性为13.8 MPa·m1/2。      

纤维束增强复合材料的横向弹塑性性能研究

利用细观力学模型和有限元法研究纤维束复合材料的横向弹塑性力学性能。假设弹性的纤维束均匀地分布于幂硬化弹塑性基体材料中, 并假设纤维束内的纤维接触是光滑的。通过与单丝纤维复合材料的相应结果比较, 研究了纤维成束对复合材料宏观弹塑性性能的影响。通过对硼/铝复合材料的数值研究表明: 纤维的成束对复合材料的横向弹性刚度影响很小, 而对复合材料的塑性变形和切线刚度有显著的影响。      

碳纤维增强可切削金云母微晶玻璃复合材料的制备及其特性

金云母微晶玻璃 KMg_3[AlSi_3O_(10)]F_2是一种脆性、可切削的陶瓷材料,经碳纤维增强制成复合材料(CPMC)后,其脆性和力学性能得到显著改善,而可切削性能保持不变。实验结果证明:金云母基体的缺口弯曲强度 S_b=11.26MPa,断裂韧性 K_(lc)=0.24MPa·m~(1/2),断裂功 W_F=145.9(?),而含碳纤维5.56%的 CPMC,其 S_b=47.10MPa,K_(lc)=1.1MPa·m~(1/2),W_F=2133.2(J/(m~2)),二者相比提高4至14倍。     

SMA混杂复合材料单层的被动阻尼

由形状记忆合金纤维、普通纤维、基体构成的混杂复合材料是一类用途广泛的智能材料结构系统。阻尼性能研究是结构被动振动控制的一项重要研究内容。本文采用混杂复合材料阻尼预测的细观力学理论计算SMA纤维混杂复合材料单层的阻尼特性。首先计算包含普通纤维和基体材料的复合材料介质的阻尼性能,其次计算由横观各向同性介质和SMA纤维构成的混杂材料的阻尼性能。通过计算实例分析SMA纤维混杂复合材料单层的正轴阻尼特性及其偏轴阻尼的特性随SMA纤维体积含量、纤维铺设角等参数改变的规律。     

混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能

研究纤维与颗粒混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能,着重分析增强剂SiO₂颗粒和玻璃纤维含量以及纤维长度对其性能的影响。结果表明,SiO₂含量为20 wt％,玻璃纤维含量为7.8 wt％时,试样的拉伸强度达到最佳值。此外,还比较了玻璃纤维、尼龙66纤维和PAN基碳纤维的增强效果。结果表明,3 wt%~5 wt％含量碳纤维增强的聚氨酯复合硬泡塑料拉伸强度最佳。     

长玻璃纤维/聚丙烯复合材料粒料注塑制品的拉伸强度

利用自行研制的玻璃纤维(GF)增强聚丙烯(PP)预浸装置,制备了长玻纤增强聚丙烯(LGFRP)粒料,并通过普通注塑机注塑成型。研究了界面改性、粒料长度、浸渍程度及退火处理等对注塑试样拉伸强度的影响。试验发现,用接枝马来酸酐PP作为界面相容剂,试样的拉伸强度明显提高。当接枝马来酸酐量占PP量的0.3 %左右时,试样强度达到最大值。长纤维粒料内纤维浸渍度越高,注塑试样的强度越好。15 mm和5 mm长纤维粒料注塑成型试样的拉伸强度均高于10 mm粒料注塑成型的试样。退火处理可较大程度地提高注塑试样的拉伸强度。