基于内聚力模型的形状记忆合金短纤维增强树脂基复合材料的模拟分析

通过单纤维拔出实验和单轴拉伸实验, 测定了形状记忆合金(SMA)增强树脂基复合材料的界面脱粘剪切强度和单向随机分布SMA短纤维增强复合材料的拉伸强度。根据蒙特卡罗法和边界条件控制方程, 编写了适于软件调用的单向随机分布短纤维增强复合材料的APDL语言生成程序, 建立数值模拟模型。基于指数型内聚力模型, 对SMA纤维与环氧树脂基体界面分离(即界面脱粘)过程进行了有限元模拟。结果表明: 相同纤维体积分数下, 随着纤维长细比的减小, 复合材料整体弹性模量逐渐降低; 温度驱使SMA纤维弹性模量发生变化, 可以有效提高复合材料整体弹性模量。     

基于变形及固有频率测量的纤维增强复合材料 风机叶片等效弹性参数反求方法

该文建立了一种基于变形及固有频率测量的风机叶片等效弹性参数反求方法。该反求方法通过构造偏差方程将弹性参数反求工作转化为函数优化问题。运用了数字图像相关算法测试叶片在静载及冲击载荷下的位移信息,并采用基于可变容限技术的遗传算法优化偏差函数,求解等效弹性参数。计算的等效弹性参数得到了叶片结构静载试验数据的验证,该弹性参数用于计算叶轮组的模态信息,该模态信息与单叶片的模态相对应。     

具有短纤维增韧界面的复合材料夹芯梁断裂机制的实验和数值研究

对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁, 并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散, 建立了相应的细观模型。然后, 假设短纤维在界面内随机均匀分布, 得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上, 建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型, 通过引入非线性弹簧单元, 以反映界面短纤维所产生的桥联特征, 并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论, 证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明, 在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。      

基于内聚力模型的复合裂纹耦合扩展多尺度数值模拟研究与实验验证

在外载荷作用下,材料的破坏与失效问题是一个涵盖从微观到宏观、从时间到空间等多个尺度相互耦合与关联的系统性科学问题.本研究以α-Ti材料为例,首先运用微观观测实验手段分析了α-Ti的显微组织结构和相结构,采用蒙特卡洛方法对微结构(晶粒大小、形状及分布)进行随机抽样处理,确定了其微结构的分布规律.通过与实验测得的材料强度做对比分析,并结合图像处理的方法获得微结构的定量化信息,探明了微结构对材料宏细观性能的影响,为微观尺度的分子动力学模型提供了可靠的基础.然后建立了三组包含复合微观缺陷的α-Ti拉伸微观计算模型,分别获得了界面层粘结力与其上下表面的相对位移之间的定量关系(T-S曲线).由于T-S曲线中包含了与裂纹尖端演化相关的微观信息(如位错发射和运动、裂尖钝化、裂纹偏折、孔洞成核和长大、孪晶等),再将T-S曲线与曲线中关键转折点所对应的原子构型相结合,从原子尺度观察并解释了α-Ti材料中不同复合微观缺陷扩展的现象、规律和机理.最后,采用基于原子模拟的内聚力模型对单调拉伸条件下CT试件的裂纹扩展做多尺度分析,研究了不同微观缺陷对材料宏观断裂参数的影响程度.     

复合材料纤维/基体界面失效问题的参变量有限元数值模拟

本文利用参数拟二次规划法和非连续线弹性本构模型,构造了复合材料纤维/基体界面失效问题的细观力学模型并进行了有限元计算分析,得到了与实验相吻合的结果。     

复合材料热膨胀性能预报的随机扰动模型与实验验证

为了探究连续纤维增强的复合材料的热膨胀性能,综合考虑了单向复合材料横截面上纤维的分布情况以及随机模型的真实周期性边界条件等,发展了一种随机扰动模型;并针对高纤维体积分数的随机模型,提出了随机扰动法（RDM）,此方法可以处理的最大纤维体积分数不小于65%。利用本随机模型对M40J/TDE-85的热膨胀性能进行了预测,同时对该复合材料的热膨胀系数进行了高精度测试。结果表明,预测结果与试验结果吻合良好,同时也证明本随机模型能较好地预测复合材料的热膨胀系数。利用本随机扰动模型可迅速准确地预测出复合材料的热膨胀性能,便于材料研究和工程应用。     

拉索模型模态参数识别的实验研究

基于高速摄影成像技术,利用改进的数字时间序列图像相关方法,测定了自由振动状态下拉索模型的模态参数。该方法具有实验装置简单、全场非接触、无附加质量、无附加阻尼、测量频率和位移范围可调等优点。采用高速CMOS摄像机及其计算机处理系统,实时获取拉索的振动图像,基于VC编制时间序列图像相关软件自动对序列图像进行相关运算,获得其位移-时程曲线;利用小波分析的方法确定拉索的固有频率和阻尼比,实验结果与理论分析结果吻合得较好。测试及分析结果表明:该方法为拉索模型的模态参数识别提供了新的途径。     

Novel method for determination of critical fiber length in short fiber carbon/carbon composites by double lap joint

A novel approach is introduced for the experimental determination of critical fiber length in carbon fiber reinforced carbon (CFRC) composites. Critical fiber length is investigated using double lap joint samples. The transition of failure mode from bonding failure to fiber fraction with increasing overlap length correlates with the critical fiber length. Tested overlap lengths were in the range of 4–100 mm. For CFRC at hand, failure mode changes at an overlap length of 26 ± 2 mm. Hence critical fiber length is derived as l_c = 52 ± 4 mm.     

Investigation of assumptions and approximations in the virtual fields method for a viscoplastic material model

The Virtual Fields Method (VFM) is an inverse technique used for parameter estimation and calibration of constitutive models. Many assumptions and approximations—such as plane stress, incompressible plasticity, and spatial and temporal derivative calculations—are required to use VFM with full‐field deformation data, for example, from Digital Image Correlation (DIC). This work presents a comprehensive discussion of the effects of these assumptions and approximations on parameters identified by VFM for a viscoplastic material model for 304L stainless steel. We generated synthetic data from a Finite‐Element Analysis (FEA) in order to have a reference solution with a known material model and known model parameters, and we investigated four cases in which successively more assumptions and approximations were included in the data. We found that VFM is tolerant to small deviations from the plane stress condition in a small region of the sample, and that the incompressible plasticity assumption can be used to estimate thickness changes with little error. A local polynomial fit to the displacement data was successfully employed to compute the spatial displacement gradients. The choice of temporal derivative approximation (i.e., backwards difference versus central difference) was found to have a significant influence on the computed rate of deformation and on the VFM results for the rate‐dependent model used in this work. Finally, the noise introduced into the displacement data from a stereo‐DIC simulator was found to have negligible influence on the VFM results. Evaluating the effects of assumptions and approximations using synthetic data is a critical first step for verifying and validating VFM for specific applications. The results of this work provide the foundation for confidently using VFM for experimental data.