高硅氧/酚醛复合材料热-力-化学多物理场耦合计算

基于高硅氧/酚醛复合材料体积烧蚀条件下的三维多物理场耦合控制方程,通过有限元方法预报了高硅氧/酚醛复合材料在酚醛树脂热解反应过程中的温度场、位移场、孔隙压力以及树脂残留率等热力学响应。计算结果表明：数值计算模型预报的温度场和位移场与高硅氧/酚醛复合材料高温变形实验的测量值吻合。材料热解过程中固体材料孔隙压力的峰值点出现在材料热解反应刚开始发生的区域,而弹性应力的峰值点出现在靠近材料热解层的原始材料层。     

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

基于Voxel有限元网格对球形夹杂复合材料的应力分析

通过Voxel有限元网格对球形夹杂复合材料进行应力分析时,由于Voxel网格在两相界面呈现阶梯状,所以在两相界面附近的单元会表现出明显的应力集中现象。提出采用局部应力平均方法来处理由于Voxel有限元网格而引起的应力集中,并且考虑应力平均区域、应力平均加权函数以及网格密度的影响。结果表明:该局部应力平均方法能够有效地去除两相界面附近单元的应力集中,但应力平均区域不能过大也不能过小。通过计算发现采用2个Voxel网格深度的平均区域为最优,并且具有网格不依赖性。该方法也可以进一步用于球形夹杂复合材料的积累损伤演化分析。     

三维四向编织复合材料弯曲性能的实验研究

分别对编织角度为30和45度的三维四向碳环氧编织复合材料进行了不同厚度试件的弯曲实验,验证了材料的破坏模式、本构关系与试件几何尺寸的相关性.研究表明:弯曲破坏无明显的破坏裂纹,当载荷增加到了极限载荷,载荷不再增加而位移依然逐渐变大.当进行卸载时,大部分的弹性变形都可以得到恢复,仅剩余很小的塑性变形.另外改变试件的厚度对材料的载荷位移关系没有影响.     

试样厚度对ZrB2基超高温陶瓷抗热冲击性能的影响EI

理论推导了平板材料热冲击过程中瞬时温度分布和热应力分布.通过实验研究了ZrB2-20%SIC-10%AIN(ZSA)超高温陶瓷基复合材料的热物理性能、力学性能和其热冲击开裂过程,确定了不同厚度试样热冲击开裂的临界温差;随着试样厚度的增加,热冲击开裂的临界温差逐渐降低.通过理论计算的分布曲线和实验数据点的比较,预测了不同试样厚度的ZSA陶瓷基复合材料热冲击时的表面换热系数值,并计算了不同厚度试样热冲击过程中表面热应力随时间的变化关系,发现厚度为1mm的平板在其临界温差480℃下热震时,表面达到最大热应力所用的时间最短,然后热应力的降低速度也最快.     

三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺参数优化EI北大核心CSCD

基于误差反向传播(BP)神经网络与改进的遗传算法建立三维针刺C/C-SiC复合材料预制体工艺优化的代理模型,获得针刺工艺参数与复合材料刚度性能之间的关系。利用BP网络实现复合材料刚度性能预测,BP网络的预测值与有限元计算结果吻合程度较好,模型训练误差最大为0.526%,测试数据误差最大为0.454%,BP网络预测精度高。对传统遗传算法的遗传策略和优化策略进行改进,利用两种改进的遗传算法对针刺工艺参数进行优化。优化后的工艺参数显著提高了材料的刚度性能,其中面内拉伸模量分别提高了11.07%和11.48%,面外拉伸模量分别提高了49.64%和48.13%,复合材料的综合刚度性能分别提高18.17%和18.21%。     

ZrB_2基超高温陶瓷复合材料的高温拉伸损伤行为

开展了SiC(20vol%)-石墨(15vol%)/ZrB2复合材料室温及高温拉伸性能实验,发现高温时复合材料的拉伸强度和弹性模量有所降低,并且具有明显的非线性特征。引入热损伤来表征弹性模量随温度的衰减规律,利用强度统计分析方法确定单向应力状态下材料的机械损伤演化方程,建立了材料在热力耦合条件下的高温拉伸损伤非线性本构模型。分析表明:随着温度的升高,SiC-石墨/ZrB2复合材料的热损伤和机械损伤不断增加,延性增强,且脆性-延性破坏转变温度范围为1 250~1 350℃。     

试样厚度对ZrB2基超高温陶瓷抗热冲击性能的影响

理论推导了平板材料热冲击过程中瞬时温度分布和热应力分布.通过实验研究了ZrB2-20%SIC-10%AIN(ZSA)超高温陶瓷基复合材料的热物理性能、力学性能和其热冲击开裂过程,确定了不同厚度试样热冲击开裂的临界温差;随着试样厚度的增加,热冲击开裂的临界温差逐渐降低.通过理论计算的分布曲线和实验数据点的比较,预测了不同试样厚度的ZSA陶瓷基复合材料热冲击时的表面换热系数值,并计算了不同厚度试样热冲击过程中表面热应力随时间的变化关系,发现厚度为1mm的平板在其临界温差480℃下热震时,表面达到最大热应力所用的时间最短,然后热应力的降低速度也最快.     

基于单元式近场动力学方法的功能梯度材料弹塑性模型

提出了一种基于单元式近场动力学方法的功能梯度材料弹塑性模型,采用增量法求解弹塑性模型.由于单元式近场动力学模型属于非局部理论,在边界附近计算内力时存在较大误差,而模型的收敛采用内力与外力平衡来判别.如果在边界采用近场动力学建模,模型收敛速度很慢,甚至会发生发散的情况.为了解决这一问题,在施加外荷载的边界区域采用有限单元...     

宽温域无氧环境下热电器件性能实验及仿真

针对热电器件在高温无氧环境下的应用特点,对方钴矿/碲化铋两级热电器件的热电转换效率进行实验测试。采用石英灯辐射加热和强制水冷散热的方式提供稳定的宽温域条件,全程不断注入氩气的方式制造无氧环境,设计测试电路利用伏安法获得该器件的热电输出性能。根据热电转换原理推导出热、电物理场的耦合控制方程,并通过数值方法对实验过程中的传热及热电转换进行模拟。对比分析发现实验装置中不同组件之间存在的接触热阻直接影响了热电器件上下表面的温差,从而影响了热电器件的发电效率,为热电器件在宽温域无氧环境下的应用奠定实验及理论基础。