单向纤维增强复合材料强度的统计分析

在本文中,我们提出了一个用于研究单向纤维增强复合材料中纤维载荷集中的剪滞分析模型。用此模型推导出了包含r根断纤维的裂纹的尖端纤维的载荷集中因子的解析表达式,并由此计算了裂纹尖端纤维的最大载荷集中因子,其计算结果与Hedgepeth[2]的结果非常一致。其次,我们提出了平均载荷集中因子的概念,并通过载荷集中因子的大小定义了裂纹尖端纤维的影响长度。它的物理意义明确,而且,在裂纹的扩展过程中是逐渐增大的,这与实际情况相符。在前面分析的基础上,应用裂纹临界核模型[2,3],我们对单向纤维增强复合材料的强度问题进行了统计分析,其计算结果与实验值是一致的,其中使用平均载荷集中因子计算所得到的强度值与实验值更接近。数值结果说明了裂纹临界核模型的正确性以及用平均载荷集中因子和影响长度进行裂纹扩展分析的可行性。     

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

单向纤维复合材料导热性预测

本文利用均匀化方法预测复合材料导热性。采用这一方法给出了单向纤维复合材料沿纤维方向的导热性表达式;将该方法与有限元技术结合得到了在垂直于纤维方向上复合材料导热性数值形式的预测结果。根据这些结果我们用曲线形式给出了材料导热性同各组分体分比间的关系,分析了体分比、纤维截面形状和分布方式、纤维和基体间的相对导热系数等因素对材料整体导热性影响。注意到纤维分布的随机性,本文还研究了纤维相对位置对材料导热性的影响,指出相对位置的变化可导致材料的各向异性导热性。本文指出基体相导热性对材料整体导热性的影响比纤维相的影响更重要。和已有的理论和实验结果的比较说明,本文提出的方法是很有效的。      

高性能纤维增强树脂基复合材料的研究进展

高性能纤维增强树脂基复合材料在航空、航天等领域应用广泛,本文论述了高性能纤维如碳纤维(CF)、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)、芳纶纤维、PBO纤维的表面改性方法、改性效果的表征手段及改性纤维增强树脂基复合材料的研究进展和方向.     

利用外方内圆模型预测单向连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量

为了对连续纤维增强树脂基复合材料的横向弹性模量进行较高精度的解析计算,利用代表性体积单元横截面为正方形基体包裹圆形纤维的外方内圆模型,采用先并联后串联和先串联后并联的两种计算方式进行公式推导,借助于Mathematica软件进行符号积分运算,获得了横向弹性模量的2组解析解,将其中间值作为预测值,给出了预测值的近似公式,并与一组实验数据进行了比较。研究表明,外方内圆模型能较好地反映客观实际,利用Mathematica软件可以解决计算困难的问题;将解析解的中间值作为横向弹性模量的预测值,与一组实验数据比较,显示解析计算的相对误差基本在10%以内;给出的近似公式形式简单,且其曲线能较好地吻合中间值曲线,在纤维体积分数小于75%的范围内,近似公式与中间值公式计算结果之间的最大误差不超过7%。     

基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型基于失效机制的单向纤维增强树脂复合材料退化模型

基于复合材料力学理论和失效机制,建立了一种新的适用于单向纤维增强树脂基复合材料的突降退化模型,用于描述复合材料基本材料性能在不同模式失效发生后的衰减行为。在模型中不仅考虑了复合材料拉伸和压缩弹性模量的差别,还考虑了损伤后材料拉伸和压缩性能退化的不同,以及裂纹闭合效应和侧向约束对压缩失效后性能的影响。另外,该模型只需要基本材料参数作为输入,便于应用。为了验证所提出的模型,建立了T800碳纤维增强X850环氧树脂基复合材料的退化模型,并对典型复合材料螺栓连接结构的拉伸失效行为进行渐进损伤分析。数值模拟获得的结构破坏载荷、破坏形式及载荷位移曲线与试验结果有较好的一致性,验证了所提出模型的计算精度和有效性。      

界面粘性滑动对纤维复合材料横向剪切变形的影响

研究了扩散控制的界面滑动对纤维复合材料的横向剪切变形行为的影响。基体和纤维为弹性的,而界面滑动速率正比于界面剪应力。作为辅助问题,首先考虑了单根纤维嵌在无限大基体的特殊情形,导出了纤维和基体中随时间变化的应力场。其次,应用平均场方法给出了任意时刻复合材料的总体响应。数值结果表明复合材料的横向剪切模量随着界面滑动的发生将显著减小。     

纤维增强金属基复合材料及应用

讨论了纤维增强金属基复合材料中制造工艺及纤维的种类，优缺点，并列举了一些碳纤维增强金属基复合材料的应用实例。     

复合材料使用的增强纤维的现状与发展趋向

重点介绍了碳纤维、粘胶纤维基碳纤维、聚丙烯腈纤维基高强度高模量碳纤维、沥青碳纤维、陶瓷氧化物纤维、碳化硅纤维、高强度高模量有机纤维的开发、生产、应用现状与发展动向。     

复合材料横向剪切弹性模量的识别与层间剪切强度的实验研究

本文提出一种测试复合材料横向剪切弹性模量的参数识别方法。该方法是将复合材料的横向剪切弹性模量视作横向剪应变的函数，由横向剪应变的测量值反演横向剪切弹性模量。剪应变与剪切弹性模量间的函数关系用有限单元法得到。文中给出了参数识别计算格式和一种玻璃布层压板的识别结果。同时，文中提出了用五点弯曲实验测试层间剪切强度的方法，给出了实验结果。     

预测纤维复合材料有效模量的分级模型

为纤维复合材料的有效模量计算建立了一个宏观与细观相结合的分级模型: 即假定共焦点椭圆柱组合体的纤维/基体细观结构单元嵌在宏观上均匀化了的复合材料中。利用解析函数的保角变换与罗朗级数展开, 获得了轴向剪切模量的封闭公式。理论值与实验值吻合很好, 克服了经典模型理论与实验结果偏差太大的缺点。      

复合材料圆管构件等效模量的计算方法

针对任意壁厚的复合材料圆管构件的等效弹性模量和剪切模量提出了高阶理论计算方法, 它考虑了构件的横向剪切效应以及层合材料的三维本构关系, 并在相同壁厚条件下对三种缠绕方式( [0°/(±θ)_n ]S, [ (±θ)_n ]S 和[ 90°/(±θ)_n ]S) 的等效模量进行了预测, 并且与经典层合板理论的预测结果进行了比较, 该方法可用于复合材料杆件结构的设计中。      

纤维增强复合材料断裂的宏微观结合模型

由于纤维增强复合材料内部结构固有的复杂性, 目前还没有一种理论和方法能很好地解决带缺陷的复合材料的断裂问题。本文发展了一种宏微观结合模型, 用有限元方法计算复合材料的断裂问题, 得到了一些有意义的结果。      

含双周期不等长刚性线材料有效反平面剪切模量研究

研究无限介质中含双周期刚性线夹杂复合材料的反平面问题,其基本胞元含有四条不同长度的刚性线夹杂。运用椭圆函数和保角变换理论,获得了该问题严格的闭合解。利用微结构的周期性和平均应力/应变定理得到了复合材料有效反平面剪切模量的精确公式。由结果的特殊情形可以得到一系列有意义的解答。数值结果给出了该类非均匀材料有效反平面剪切模量随微结构参数变化的规律。精确解可以为其它数值和近似方法提供有价值的参考。     

纤维增强复合材料横向弹性常数

本文提出了一个计算单向纤维增强复合材料横向弹性模量和泊松系数的边界元计算模型.泊松系数ν₁₂、ν₃₂、ν₁₃和ν₂₃的计算结果与实验结果吻合得很好.碳纤维增强复合材料横向模量E₂和E₃的计算值也和实验结果完全吻合,而玻璃纤维/环氧横向模量E₂、E₃的计算值却比实测值偏小约10%～25%.予计这是由于本文计算模型未考虑界面层的性能,它对材料的宏观性能产生了较明显的影响.      

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。      

一种通用的计算复合材料刚度的有限元方法

根据复合材料宏观有效模量的定义,本文通过在复合材料细观模型的边界施加六组特定形式的均匀边界条件,以三维有限元作为数值分析手段,对各种细观模型及增强相力学特性,可一次性全部解出复合材料的所有弹性系数。通过计算典型代表体元细观模型,验证了本文数值方法的准确性和优越性。     

高延性混凝土无腹筋梁受剪性能试验研究

提出采用高延性混凝土改善梁的抗剪性能和变形能力,设计了8个高延性混凝土梁和3个作为对比试件的混凝土梁,并通过静力试验研究不同剪跨比和配筋率高延性混凝土无腹筋梁的破坏形态和破坏机理。高延性混凝土无腹筋梁的剪切破坏形态有挤压破坏、剪压破坏、弯剪破坏和剪拉破坏。试验结果表明：高延性混凝土梁的剪切破坏均表现出一定的延性,与普通混凝土梁的脆性剪切破坏具有明显不同;高延性混凝土梁的剪切裂缝开展缓慢,说明高延性混凝土良好的拉伸应变硬化和多裂缝开展特性能够有效控制剪切裂缝的发展,防止混凝土压碎剥落,显著提高梁的抗剪性能和耐损伤能力;相比普通混凝土无腹筋梁,高延性混凝土无腹筋梁的受剪承载力和变形能力均有明显提高,表明采用高延性混凝土可以显著改善无腹筋梁的脆性剪切破坏模式;剪跨比和纵筋配筋率对高延性混凝土梁的剪切破坏形态和承载力影响较大,其受剪承载力随剪跨比的增大而降低,随配筋率的增大而有所提高。     

钢筋钢纤维混凝土梁斜截面抗剪强度的理论模式

本文结合对试验结果的分析，以平衡方程为基础研究钢筋混凝土梁和钢筋钢纤维混凝土梁斜截面抗剪强度的理论模式。该模式考虑了剪压区混凝土高度及其应力分布、裂缝投影长度、骨料咬合、纵筋销栓作用及钢纤维的增强作用，概念明确、易于理解，与试验结果符合性好。