纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

改进的三维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,对高精度通用单胞模型进行了改进,并推广到三维。模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系.改进的高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约55%,求解时间缩短,并且消除了亚子胞的概念.算例分析表明该模型的计算结果与细观有限元结果具有较好的一致性.      

增强相分布方式对复合材料有效力学性能的影响

针对增强相在基体材料中的分布方式的不同,建立了一个研究复合材料有效性能的细观力学模型.该模型由固体基体和增强相两相介质组成,假设细观结构呈周期性均匀分布.采用直接平均法和二尺度展开法计算了复合材料的有效性能,得出了不同微结构分布的复合材料横向弹性模量、泊松比和剪切模量随增强相材料体积分数比的变化曲线,其变化规律与实验数据吻合较好.研究表明在较大体积分数比下,增强相的分布直接影响到复合材料的弹性刚度.     

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

基于单向陶瓷基复合材料拉伸曲线的细观力学参数识别

为了确定陶瓷基复合材料组分材料的细观力学参数,对陶瓷基复合材料拉伸曲线与细观力学参数之间的关系进行了研究,提出了基于单向陶瓷基复合材料拉伸曲线的细观力学参数的识别方法。单向陶瓷基复合材料典型的拉伸曲线可分为三段:初始线性段、过渡段以及第二线性段。基于剪滞模型,建立单向拉伸曲线初始线性段的斜率、第二线性段的斜率以及截距的表达式,并将理论值与实验值进行比较,从而识别出细观力学参数。最后将识别出的细观力学参数带入剪滞模型,并预测SiC/SiC单向陶瓷基复合材料的轴向拉伸应力应变曲线。预测结果与实验吻合很好,说明该细观力学参数的识别方法是可行的。同时采用另一种方法测量纤维弹性模量。两种方法的测量偏差小于5%,进一步证明了本文方法是合理的。     

三维编织复合材料宏细观结构的计算机图形模拟

从三维编织复合材料的编织工艺——四步法入手，分析了纱线的空间位置，利用计算机较为精确地模拟织物的宏观结构。采用合理的单胞划分的方法，对该宏观模型进行剖分，获得了较精确的织物细观结构，得到了有关细观结构的一些重要规律，以便于下一步对编织复合材料进行力学分析。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

A method of determining effective elastic properties of honeycomb cores based on equal strain energy

A computational homogenization technique (CHT) based on the finite element method (FEM) is discussed to predict the effective elastic properties of honeycomb structures. The need of periodic boundary conditions (BCs) is revealed through the analysis for in-plane and out-of-plane shear moduli of models with different cell numbers. After applying periodic BCs on the represen-tative volume element (RVE), comparison between the volume-average stress method and the boundary stress method is performed, and a new method based on the equality of strain energy to obtain all non-zero components of the stiffness tensor is proposed. Results of finite element (FE) analysis show that the volume-average stress and the boundary stress keep a consistency over different cell geometries and forms. The strain energy method obtains values that differ from those of the volume-average method for non-diagonal terms in the stiffness matrix. Analysis has been done on numerical results for thin-wall honeycombs and different geometries of angles between oblique and vertical walls. The inaccuracy of the volume-average method in terms of the strain energy is shown by numerical benchmarks.     

缝合密度对复合材料性能影响研究

建立了不同缝合密度的碳纤维缎纹增强复合材料有限元模型,对其面内弹性模量进行有限元预报,并进行了实验验证。实验结果表明:随着缝合密度增加,复合材料的面内弹性模量降低,最大降低幅度约为44%,而对泊松比的影响很小。实验结果与有限元预报的规律一致。     

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

单向带/平纹布混杂铺层层合板极限强度研究

单向带/平纹布混杂铺层方式常用于复杂复合材料结构的制备,对其极限强度进行研究具有重要的工程应用价值.把三维有限元方法和优化设计思想结合起来,建立了一种复合材料极限强度分析方法,该方法可基于通用有限元分析软件ANSYS实现.为验证该方法的有效性,实验制备了单向带/平纹布混杂铺层层合板进行了拉伸和压缩实验.结果表明该方法用于混杂铺层层合板极限强度预测,最大偏差在15%以内,满足工程应用要求.      

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

三维四向编织复合材料基本性能的有限元模拟

依据三维四向编织复合材料的结构特点,建立了能真实反映其空间构型的"双纽线"单元体胞模型,并以此为基础,采用有限元方法对C／SiC三维四向编织复合材料的基本性能参数进行了数值模拟,获得了该材料在制备冷却阶段的热变形行为以及残余应力和残余应变的分布状况,同时获得了制备后室温条件下该材料的等效弹性模量与等效热膨胀系数值。     

Experimental,analytical and numerical investigation on tensile behavior of twisted fiber yarns

Stitched composite materials are emerging as a promising material due to their high interlaminar strength, combined performance and light weight. The mechanical properties of stitch yarns are very essential for stitched composite structures. In this study, the tensile behaviors of the twisted fiber yarn in stitched composites were investigated experimentally, analytically and numerically. Two kinds of cross-sectional area of twisted yarn are proposed and discussed. The paper presents an intersecting circle model to describe the cross-section of twisted fiber yarns, and a physics-based theoretical model to predict the effective tensile moduli. The numerical models take into account the cross-sectional characteristic and the twist architecture. The investigation shows that: the sum of each fiber area should be used for experimental analysis; and the cross-sectional area surrounded by the yarn profile should be used for theoretical predictions and finite element (FE) simulations. The relative errors of the prediction method and the FE simulation are less than 2% and 1%, respectively. The friction between the fibers is derived, and the effect of friction on mechanical properties is discussed. The investigation method will serve as a fundamental component of twisted fiber bundle/yarn analysis.