三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

宏/细观一体化多尺度数值分析的进展与应用

以C/SiC为代表的纤维增强陶瓷基复合材料具有多尺度特征，传统的复合材料力学理论和以均匀化假设为基础的常规有限元分析方法难以全面准确地评估其力学行为。因而，近年来以跨微观-细观-宏观为特征的多尺度数值模拟方法被广泛应用于评估复合材料的力学特性，加快了新一代复合材料的研发和推广应用。本文首先从分析策略角度，对目前学术界的多尺度数值计算方法的发展情况进行了分类概述，总结了不同宏/细观多尺度方法的特点。在此基础上提出了新的采用过渡区域的宏/细观一体化多尺度建模计算方法，给出了开孔板和典型连接的算例结果，并探讨了其面临的技术难点及合理应用场景。以热结构最常用的典型盒型件为对象分析了其力学特点，给出了采用这种建模计算的必要性和分析策略。     

基于宏细观统一本构模型的复合材料湿热应力分析

基于有限体积直接平均方法(Finite-volume direct averaging micromechanics,FVDAM),建立了一种从复合材料细观到宏观的统一本构模型。根据均匀化方法和连续介质力学构建复合材料的宏细观相关矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的损伤性能传递到宏观复合材料中,计算了湿热环境中复合材料的细观应力场。结果表明:FVDAM采用子胞边界平均位移作为未知量,使本构模型中的未知量总数大为减小,相对提高了模型的效率,但这些方程都是建立在平均意义上的,因此预测的应力场存在一定的不连续性;湿热环境下,前期的吸湿有缓解热残余应力的作用,随着时间的增加,吸湿的影响逐渐超过热残余应力的影响。     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

基于多尺度方法的飞行器结构强度分析

建立了一套飞行器结构多尺度分析方法,能够较为高效、准确地分析飞行器结构的力学行为,确定危险区域以及研究损伤模式。采用层次多尺度法,分别建立了飞行器整体结构、局部舱段结构、单钉连接模型三种有限元模型,对飞行器结构进行分析。建立了宏观变量与细观响应之间的信息传递和反馈。对三向正交碳/碳机织复合材料的宏观刚度和强度性能进行了预测,建立了宏观损伤起始包络线。采用协同多尺度法对单钉连接模型进行渐进损伤分析。研究表明该方法具有良好适用性,能够较为准确地分析结构的损伤模式,为飞行器结构设计提供参考。     

细观力学法预测单向复合材料的有效热膨胀系数

基于细观力学方法建立了两种预测单向复合材料的热膨胀系数的方法.以单向复合材料为研究对象,从理论上推导了单向复合材料的热膨胀系数公式,并运用通用有限元软件Msc.PATRAN/NAST RAN建立RVE模型,模拟热传导过程进行有限元计算.两种方法计算的结果与实验均有较好的一致性.     

含边界和损伤因素的纺织复合材料细观胞元模型

纺织复合材料的细观力学分析通常以胞元模型为基础,胞元边界条件的合理施加是获得精确分析结果的关键之一。本文以平面机织复合材料为例,讨论了细观胞元的选取和周期边界条件的施加方法,在此基础上建立了二维细观有限元模型,通过与全厚度模型分析结果的比较,研究了周期胞元模型的合理性,特别是边界效应和局部损伤等非周期因素对分析结果的影响,给出了这些因素下胞元边界条件的处理方法。     

三维机织复合材料纱线观测与细观几何模型

通过对三维机织复合材料细观切片拍照,追踪材料内部纱线各个截面的形状和形心坐标,从而确定三维机织复合材料纱线真实细观形态和轨迹.并据此建立了一个新的三维机织复合材料几何模型,计算了三维机织复合材料的纤维体积含量.结果表明:该模型能够较好地反映三维机织复合材料内部的真实结构,为建立更精确的力学模型打下基础.     

三维五向矩形编织复合材料的细观结构模型

分析了三维五向矩形编织工艺携纱器的运动规律,基于映射思想研究了纱线的空间走向及规律.经分析内部区域编织纱及轴纱的空间挤压交织关系,建立了能有效反映其纱线空间构型特征的三维实体细观结构模型.根据3单胞划分思想,提出了平行于材料边界方向的单胞几何模型,建立了编织工艺参数和模型宏细现结构参数的关系.模型数值结果与试件实测数据基本吻合,证明了该模型合理、有效.     

双程机电耦合效应对压电层合板机电响应的影响

基于一阶剪切变形理论和压电方程,推导了压电层舍板本构方程,得到一个双程压电-机械耦合的有限元模型,它可以对具有任意分布的表面粘贴式或嵌入式压电传感器和驱动器的复合材料层合板的机电响应进行分析。所得算例的计算结果与文献中的实验结果或ANSYS分析结果非常吻合,也显示了在压电传感器有信号输出时,单程压电-机械耦合的有限元模型所存在的误差。     

自由曲面构件的纤维铺放路径规划

针对复合材料纤维铺放工艺及其设备控制的特点,提出了复合材料构件CAE/CAM一体化纤维铺放路径优化设计方法。通过对构件模型的有限元分析,获得构件的内部应力分布,根据主应力的大小和方向合理规划出若干基准纤维铺放路径;提出了基于等距线、等分点原理的两种算法,对基准铺放路径进行均匀密化,实现整个构件曲面的纤维铺放路径规划;讨论了铺丝宽度和铺放精度的控制策略,并给出了铺放头压辊中心控制轨迹,以满足纤维铺放机械手的控制需求。     

组合层板在横向载荷作用下的变形特性

用Hellinger-Reissner变分泛涵,对由多层薄板组合而成的组合层板在横向载荷作用下变形的受力特性进行了研究。组合层板的层数是任意的,各层的材料可以相同也可以不同,每层的厚度是均匀的。假设各层间互相接触,且满足滑移条件,用杂交元建立了组合层板的受力模型。根据假设条件导出了位移函数和应力函数多项式。用杂交元对组合层板进行了分析计算,并用实验进行了验证,说明计算理论的正确性。从计算结果看出,在绐定的薄板厚度很薄的情况下,多层板基本上是绕每层板的中性平面弯曲的。在工程应用时,可以按单层板进行计算,不会带来很大的误差。     

复合材料层合板冲击及冲击后疲劳寿命预测方法(英文)

现有含冲击损伤复合材料层合板的寿命预测方法是建立在冲击后复合材料层合板的疲劳性能基础之上的,导致模型和方法不具有通用性。因此,针对含冲击损伤的复合材料层合板,基于逐渐累积损伤理论和无损单向板的疲劳特性,建立一种具有普遍适用性的三维逐渐累积损伤的疲劳寿命预测方法。该方法可对不同铺层参数、不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为了在缺少冲击试验时也能实现受到冲击载荷后层合板的疲劳寿命预测,对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析,将预测得到的冲击损伤状态用于分析冲击后的疲劳寿命。同时基于全程分析的方法,开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序。与试验对比,最大误差为7.78%。     

复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型

采用有限元方法发展了一个复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型,模型给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律,把层合板的失效过程模拟成单元刚度逐步退化、应力不断重新分布、单元损伤不断累积的动态过程。利用ANSYS软件进行了两个算例分析,分析预测结果与试验结果吻合较好。     

温度对接触热阻的影响

介绍了一种采用实验的方法研究温度对接触热阻的影响及所得到的结果。当多晶体固体表面相互接触时，随着接触面温度升高，接触热阻呈下降规律。产生这一现象的机理是由于当接触面温度变化时。接触表面的微观形状发生了变化。从而导致了接触热阻的变化。当多晶体固体表面相互接触时，对应同一宏观接触状况其微观接触状况却不尽相同。通过实验获得了接触热阻的变化范围和接触热阻随温度变化的数据带。实验中观察到温度使固体表面产生的变形有些能够恢复，有些则不能．本文提出了能否建立温度与变形、时间三者关系的假设，当固体接触表面温度较高时，还提出了一种研究接触热阻的方法。     

一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元研究

本文基于三维弹性理论和Hellinger-Reissner变分原理,推导了一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元。该单元不同于常规的三维单元,它将复合材料层板沿厚度方向划分成一个或几个单元,每个单元中所包含的层数可视精度和计算费用的要求而定。在应用应力杂交模型导出三维超单元时,本文首次提出一种场变量假设方法,即在超单元内独立假设位移场,而应力场则分层独立假设,因而单元能较好地模拟层合板的力学性能。考虑横向剪切变形和局部扭曲变形的影响,保证了单元分析的精度。同时由于单元的自由度数不随层数的增加而增加,避免了常规三维单元在分析复合材料层板时自由度数随层数的增加而增加的弊端。通过对几个典型的复合材料层板的静、动力分析及与试验的比较。表明了单元能有效地用于各种层板的分析。     

复合材料构件成型模具设计方法

树脂基纤维增强复合材料构件成型模具根据其材料可分为金属模和复合材料模,金属模利用数控加工方式制造.复合材料模利用过渡模铺帖成型,因其特殊的结构和工艺性,其设计过程和方法有别于普通的机械零件成型模具.本文分析了复合材料构件模具结构及现有设计存在的问题,采用数字化设计的方法和流程,解决了成型曲面的可加工性检测、成型曲面的整体偏置以及模具支架的参数化设计等关键技术,开发了相应的设计系统.     

基于响应面法的低温风洞扩散段热力学模型修正

低温风洞运行过程消耗大量液氮和电力，洞体结构产生附加热应力和热变形，建立可靠的低温风洞热力学模型对研究风洞运行安全性和经济性是必不可少的。以低温风洞扩散段为方法研究对象，建立有限元热力学模型，为提高热力学模型和实际模型的相关性，使用响应面法对有限元热力学模型多个参数进行修正。通过对比分析温度、应力监测点试验数据和仿真数据的差别，确定驻室锥形体内表面对流换热系数为待修正参数；使用中心复合试验设计生成有限元热分析样本空间，以温度、应力监测点试验数据和仿真数据的残差均方和为考核指标，在样本空间内对残差均方和进行非线性回归分析，建立残差均方和的响应面模型；以所有监测点残差均方和总和为目标函数，在样本空间内进行多目标非线性优化分析，得到最优解；验证修正后的热力学模型，结果表明:（1）基于响应面法的热力学模型修正是可行的；（2）修正后的热力学模型分析数据与试验数据吻合性提高，并且适用于其它降温试验。     

含压电传感器和驱动器的复合材料中厚板有限元分析

基于变分原理和一阶剪切理论，本建立了一种新的机电耦合矩形有限单元．该单元具有四个节点20个位移自由度．电自由度为单元中的压电铺层层数。通过静态控制方程推得的旋转位移表达式中含有横向位移的三次导数．从而该单元不仅能分析薄板的变形．而且还能分析中厚板在电载荷和外力载荷作用下的变形。然后．根据所建立的有限单元．结合相关方程．编写了有限元分析程序并对一些算例进行了数值模拟．通过将所得结果与有关献的结果进行对比．验证了本单元的有效性。最后对压电非均衡复合材料在电载荷作用下的变形进行了分析。结果表明．当复合材料中正的铺层角和对应的负铺层角的厚度比改变时。在相同电载荷作用下对结构的变形有较大的影响。