稠密颗粒增强复合材料应变分布规律和刚度张量

针对高体积份数、随机分布、等轴状颗粒增强复合材料 ,研究了材料的应变分布规律 ,给出了基体和增强体应变平均值与材料微观结构参数之间的定量关系。结果表明 ,除应变平均值外 ,应变涨落是影响刚度张量的另一个重要因素 ,研究了应变涨落与材料微观结构参数之间的关系 ,并推导出了复合材料的刚度张量。与实验结果和以往的理论比较 ,预测结果与实验结果吻合良好     

高体积分数颗粒预制件及其复合材料的制备

研究了高体积分数颗粒预制件制备工艺及其对复合材料复合质量的影响。用超声分散工艺获得了不同粒径颗粒分布均匀的预制件。用单一粒径多种粒径制成的预制件的最大体积分数分别为５３％和６６％。采用改进的压力浸渗工艺制备了宏观、微观质量较好的ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料。     

预测平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的三维纤维随机模型

提出了一种能够刻画平纹编织C/SiC复合材料编织结构的三维纤维随机模型,探讨了微观结构影响宏观等效导热系数的机理。采用蒙特卡罗法模拟纤维位置的随机分布,用有限元法计算等效导热系数,通过数理统计方法分析在不同纤维体积分数下等效导热系数的随机分布规律;并且比较了相同纤维体积分数下,纤维随机模型平均等效导热系数与纤维周期排列模型等效导热系数的差别。结果表明:在不同体积分数下,纤维位置随机等效导热系数都呈高斯分布;纤维随机模型中纤维会出现聚集现象,形成局部“导热热障”,所以纤维随机模型平均等效导热系数小于纤维周期排列模型,这种差异在中等纤维体积分数下最明显。      

等温锻造对SiCp／Al复合材料颗粒分布的影响

开展了粉末冶金法制备的20%(体积分数)SiCp/2009Al复合材料坯锭的等温锻造实验,研究了不同变形量对锻件中SiC颗粒的分布以及力学性能的影响.结果表明,等温锻造变形量越大,锻件中的SiC颗粒分布越均匀,锻件强度和塑性越高.对于同一锻件而言,沿锻造轴向上,锻件的应变量呈现中部变形量大、两端变形量小的正态分布趋势,并且中部SiC颗粒分布较均匀,而两端的分布较差;沿锻造径向上,锻件不同部位应变量也存在差异,由此导致SiC颗粒分布均匀性不一致.     

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料有效弹性模量预测

为了分析碳化硅颗粒增强铝基复合材料细观结构对其宏观力学性能的影响,针对无压渗透法制备的A356/SiCp复合材 料建立了表征其细观结构的2维代表性体积单元有限元模型,以建立复合材料宏观性能与细观结构之间的依赖关系。在周期性 边界条件和模拟单轴拉伸边界条件下研究了颗粒的形状（圆形、椭圆形）和体积分数（10%、15%、20%）对其有效弹性模量的影响, 并与无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料试验值进行比较。结果表明：在2种条件下的预测结果相差不大,预测误差均不超过 5%;碳化硅颗粒体积分数对复合材料的力学性能影响显著,对颗粒形状的影响很小,在相同边界条件及体积分数下,圆形和椭圆 形颗粒的预测值相差不超过0.4%。     

细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量

基于能量等效原理提出了复合材料有效弹性模量的定义，并指出了该定义的基础及前提条件。为从理论上计算复合材料宏观有效弹性模量，建立了通过细观力学有限元法计算复合材料有效弹性模量的方法。复合材料宏观弹性模量，是通过对复合材料细观结构代表性体积元的力学响应的计算来得到，在该计算方法中，给出了施加简便的边界载荷以及恰当的边界变形约束条件的方法。数值计算结果与部分试验结果具有较好的一致性，表明所提出的方法能够较好地计算复合材料的宏观有效弹性模量。     

石墨烯/PLA吸波复合材料等效传热性能分析

基于细观力学理论，运用代表性体积单元方法研究石墨烯填充聚乳酸（PLA）复合材料导热性能。根据显微照片分析复合材料细观结构特征并构建二维随机分布模型，利用有限元方法求解复合材料等效导热系数，并通过实验结果验证模型正确性和有效性。通过参数化分析研究各细观结构参数对复合材料导热性能的影响规律，并通过传热路径分析其影响机制。结果表明：所建随机模型数值模拟结果与实验结果拟合较好；随石墨烯质量分数增加，复合材料传热性能增强，且石墨烯的长厚比与取向对复合材料整体导热性能有较大影响；同时，石墨烯与基体之间的界面接触热阻显著降低了复合材料整体导热性能。     

陶瓷基复合材料力学性能计算及涡轮导叶宏观响应分析方法

针对涡轮导叶宏观热力学响应,将化学气相沉积工艺2D编织SiCf /SiC陶瓷基复合材料完成拉伸试验并将该试件进行分 割,对分割后的试样进行断面电镜扫描,测量统计细观编织结构参数,建立考虑缺陷位置和形状的代表性体积单元模型。采用细 观有限元方法,应用该模型计算得到SiCf /SiC陶瓷基复合材料的宏观弹性常数。结果表明：面内拉伸模量预测值比试验值低 4.4%,剪切模量预测值比试验值高7.8%。结合陶瓷基复合材料涡轮导叶的加工工艺,建立了材料分布映射模型,对导叶典型特征 结构件在给定热载荷下的宏观响应进行预测。结果表明：涡轮导叶典型结构加热段尾缘第1主应变预测值比试验值低5.5%。     

功能梯度材料热传导的多尺度边界元分析

功能梯度材料是物理性能连续变化的非均匀复合材料,其结构特点消除了材料内部严重的热应力界面,在航空、航天及核反应堆等工程领域具有广阔的应用前景。针对功能梯度材料的稳态热传导问题,给出一种基于边界元模型的统计多尺度分析方法,并针对典型问题进行数值模拟。首先,在功能梯度材料微结构随机分布且体积分数随着位置变化的表征基础上,建立等效热传导系数的多尺度边界元分析模型;然后,给出统计意义下的数值计算方法;最后,研究颗粒随机分布功能梯度材料的热传导性能,并通过与实验结果对比对算法进行验证。结果表明:统计多尺度边界元方法对于预测功能梯度材料的热传导性能是有效的。     

一种基于并联关系模型的TC4合金本构方程

 以 TC4合金流动应力σ为目标函数,通过热态物理模拟试验,系统地研究了主要锻造热力参数 (变形温度、变形速度和变形程度等 )对目标函数的影响,基于数理统计学原理,科学地分析并回归出了能综合反映锻造热力参数对材料成形性能影响的本构方程,得出了 TC4合金变形工艺参数 (变形温度 T、等效应变速率ε、等效应变ε等 )对目标函数的影响规律,从而,为 TC4合金锻造过程的数值模拟和锻造热力参数的合理制订与控制提供了基础。     

Hysteresis and the nonlinear equivalent piezoelectric coeffcient of MFCs for actuation

The hysteretic behavior and nonlinearity of the equivalent material coefficient of macro fiber composites (MFC) under staircase input conditions are investigated using the Preisach model. Based on a database of first order reversal curves, formulas are derived to predict the hysteresis of strain output and nonlinearity of the equivalent piezoelectric coefficient of MFCs. Formulae are verified by comparing the predicted strains with the measured strains of three MFC specimens, which are driven by a random sequence of staircase voltage inputs. The coefficients obtained by the formulae and experimentation coincide. Further results indicate that the equivalent piezoelectric strain coefficient depends greatly on the value of drive voltage across the entire input range, and the coefficient is asymmetric across the negative and positive input ranges. Deflection testing of an MFC composite cantilever demonstrates the importance of taking the nonlinearity of the equivalent piezoelectric coefficient into consideration in the application of actuation.     

Hysteresis and the nonlinear equivalent piezoelectric coefficient of MFCs for actuation

The hysteretic behavior and nonlinearity of the equivalent material coefficient of macro fiber composites(MFC) under staircase input conditions are investigated using the Preisach model.Based on a database of first order reversal curves, formulas are derived to predict the hysteresis of strain output and nonlinearity of the equivalent piezoelectric coefficient of MFCs. Formulae are verified by comparing the predicted strains with the measured strains of three MFC specimens,which are driven by a random sequence of staircase voltage inputs. The coefficients obtained by the formulae and experimentation coincide. Further results indicate that the equivalent piezoelectric strain coefficient depends greatly on the value of drive voltage across the entire input range, and the coefficient is asymmetric across the negative and positive input ranges. Deflection testing of an MFC composite cantilever demonstrates the importance of taking the nonlinearity of the equivalent piezoelectric coefficient into consideration in the application of actuation.     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。     

Microstructure-based Simulation of Plastic Deformation Behavior of SiC Particle Reinforced Al Matrix Composites

This article, in order to unearth the deformation mechanism of particle reinforced metal matrix composites, establishes a finite element model (FEM) based on the actual microstructures. It finds out and analyzes the distribution of von Mises effective stress, strain and the maximum principal stress in the matrix and particles. Moreover, the overall stress and strain in the matrix and composites are calculated. By comparison, a tiny discrepancy exists between the experimental results and the simulation with respect to flow stresses. The effects of deformation parameters, such as temperature and strain rate, on the strengthening mechanism are explored and proved to be weak.     

客机复合材料APU舱门结构设计及分析

按照结构布局、适航要求及APU门载荷水平,对复合材料APU舱门结构进行设计研究.为满足防火要求和闪电防护要求,选择先进碳纤维复合材料和泡沫芯材,设计了一种复合材料夹层结构.利用有限元模型对夹层结构在气动载荷和风载作用下进行应力和位移分析,得到应变云图和变形云图,分析说明该夹层结构设计满足设计要求.通过对B737飞机APU舱门结构研究和重量提取,进行重量等效对比分析,结果表明该复合材料夹层结构比金属结构重量轻25.8％,减重效果明显.     

三维机织芳纶／环氧复合材料应变率压缩响应研究

研究三维机织芳纶/环氧复合材料在高应变率下的压缩力学性能.运用分离式霍普金森杆(SHPB)测试不同应变率在复合材料厚度方向的压缩性能,同时对材料在准静态情况的力学性能进行测试,与高应变率下的力学性能比较表明,三维机织芳纶/环氧机织复合材料是应变率敏感材料,随着应变率的增加,压缩刚度和最大应力增加,而相应最大应力的应变则减小.     

Modeling high-speed cutting of SiCp/Al composites using a semi-phenomenologically based damage model

In this paper, we attempts to investigate cutting mechanisms in high-speed cutting of Al6061/SiC_p/15p composites using a semi-phenomenologically based damage model in the equivalent homogeneous material (EHM) framework. By combining macroscale EHM modeling and underlying microscale physical mechanisms, a feasible semi-phenomenological plastic model is proposed for prediction of cutting forces and chip morphology during high-speed turning Al6061/SiC_p/15p composites. This model incorporates the modified Weibull weakest-link effect to represent the strain-based damage evolution in large deformations. This proposed semi-phenomenological constitutive model is implemented by compiling material subroutines into cutting finite element (FE) codes. The effects of the critical shear stresses on chip formation that depend on the tool-chip frictional coefficient are accounted for in the cutting FE model. The chip formation mechanism affecting material removal behaviors during high-speed turning is further investigated. The capabilities of the proposed constitutive model are evaluated by comparing cutting forces and chip morphologies between experiments and simulations at different cutting speeds associated with strain rates. The EHM-based and microstructure-based models are further compared in both computational efficiency and accuracy. The simulation results show that the developed semi-phenomenological constitutive formalism and cutting model are promising and efficient tools for further investigation of dynamic mechanical and cutting behaviors of particle-reinforced composites with different volume fraction and particle size.     

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTY OF WHISKER REINFORCED METAL MATRIX COMPOSITE: PART-Ⅰ. MODEL AND FORMULATION

Based on study of strain distribution in whisker reinforced metal matrix composites, an explicit precise stiffness tensor is derived. In the present theory, the effect of whisker orientation on the macro property of composites is considered, but the effect of random whisker position and the complicated strain field at whisker ends are averaged. The derived formula is able to predict the stiffness modulus of composites with arbitrary whisker orientation under any loading condition. Compared with the models of micro-mechanics, the present theory is competent for modulus prediction of actual engineering composites. The verification and application of the present theory are given in a subsequent paper published in the same issue.