二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。     

C/C复合材料界面影响下的宏观拉伸强度模拟

C/C复合材料的宏观强度是由纤维束强度起主导作用,而纤维束强度受纤维/基体界面剪切强度影响.本文建立了界面剪切强度影响下的纤维束强度计算模型,用以计算纤维束或碳布强度.针对细编穿刺C/C复合材料利用其周期性结构单胞,纤维柬和碳布采用Tsai-Wu准则,基体采用最大应力准则,纤维束/基体界面采用内聚力单元,并对其采用二次应力准则,将单胞施加周期性边界条件,计算了纤维束/基体界面处于弱界面剪切强度并与纤维/基体界面剪切强度在一定比例协同变化时的材料宏观拉伸强度,分析了材料的破坏模式.通过计算结果表明:材料宏观拉伸强度会随两类界面剪切强度的协同增加而增加.     

含穿透损伤泡沫夹层结构的修补及拉伸性能

建立了复合材料泡沫夹层结构含穿透损伤挖补维修的三维有限元模型,对其在单、双向拉伸载荷作用下进行了有限元分析,根据各铺层的材料主方向的应力分布,采用最大应力强度准则计算了挖补维修前后结构的单、双向拉伸强度。结果表明:单向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为88.1%,初始损伤为面内剪切失效;双向拉伸载荷状态下,维修后结构强度恢复系数为97.6%,初始损伤为纤维拉伸断裂。最佳表面额外贴补层数量为1至2层,过多贴补层会导致局部应力集中,使维修后结构强度下降。     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

三维五向编织复合材料强度的有限元分析

在已有三维五向编织复合材料单胞实体模型的基础上,基于等应变假设和最大应力失效准则,采用3D有限元法建立了三维五向编织复合材料的拉伸强度有限元分析模型。利用该模型计算了试件的拉伸强度,与现有实验数据进行对比,吻合较好。数值模拟表明:三维五向编织复合材料主要的拉伸失效形式为轴纱的正应力破坏,与已有文献的观测结果一致。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

SiC/SiC mini复合材料拉伸性能分散性的数值仿真方法

建立了一种能够高效计算连续纤维增强SiC/SiC陶瓷基复合材料力学性能统计分布函数的数值仿真方法。建立SiC/SiC mini复合材料简化二维胞元模型,输入组分材料力学性能参数的概率分布函数,得到胞元的力学性能。将胞元作为mini复合材料二维模型的单元对模型进行网格划分,并赋予其材料性能参数,从而得到mini复合材料的拉伸应力-应变曲线。经多次重复计算得到了mini复合材料拉伸应力-应变曲线的概率分布函数。从结果中发现,SiC/SiC mini复合材料拉伸强度满足威布尔分布,且相比于纤维和基体强度的模数,复合材料拉伸强度的模数增大,即分散性减小,同时尺度参数降低,表明mini复合材料出现概率最大的拉伸强度值变小;随着纤维和基体强度概率分布威布尔模数的增大,mini复合材料拉伸强度的尺度参数有增大的趋势。      

考虑孔隙的针刺C/SiC复合材料弹性参数计算

基于针刺陶瓷基复合材料试件(CMCs)光学显微照片的微观型貌,并选择恰当的代表体积单元(RVE),建立了针刺陶瓷基复合材料弹性性能预测的单胞模型.考虑了孔隙率对基体和纤维束弹性性能的影响,采用混合率计算出纤维束的弹性常数,然后将纤维束和基体的弹性参数代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到复合材料的整体弹性常数.开展了材料拉伸试验和孔隙率测定试验,测得材料的开孔孔隙率为7.33%,闭孔孔隙率为10.67%,弹性性能的计算结果与试验吻合较好,误差为3.1%.      

2D-C/SiC复合材料的拉伸损伤研究

通过单调拉伸和循环加卸载试验,研究了2D-C/SiC复合材料的力学性能及损伤演化过程。结果表明,残余应变、卸载模量和应力的关系曲线与拉伸应力应变曲线具有类似的形状。基于细观力学建立了材料的损伤本构关系和强度模型,分析计算表明,残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定,而卸载模量主要由界面脱粘率决定;材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定,横向纤维束对材料的整体模量和强度贡献较小。理论模拟结果与试验值吻合较好。     

材料初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的影响研究

C/SiC热残余应力影响材料服役性能,而初始缺陷影响热残余应力,因此有必要对平纹编织C/SiC复 合材料的初始缺陷与热残余应力的关系进行研究。通过试样截面扫描电镜(SEM)图像对材料各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,建立含初始缺陷的宏观材料的代表体积单元(RVE)和纤维束 RVE有限元模型;采用 稳态变温法及有限元细观计算力学(FECM)方法预测含初始缺陷的纤维束 RVE有效性能参数及热残余应力。结 果表明：应力预测值与试验值吻合较好,得到了各类初始缺陷与宏观材料热残余应力之间的定量映射关系。     

加热方式对C／SiC复合材料结构与性能的影响

利用化学气相浸渗法制备了 C/ Si C复合材料 ,研究了两种加热方式 (电阻加热和中频感应加热 )下 Si C沉积物形貌、沉积机制以及复合材料结构和性能。结果表明 :电阻加热时沉积单元为高温熔滴 ,Si C沉积物为卵石形貌 ;感应加热时沉积单元为 Si C固体粒子 ,Si C沉积物为粒状形貌。电阻加热时高温熔滴易于渗入纤维束内部 ,复合材料结构均匀 ,致密度高 ;而感应加热时 Si C固体粒子多以团聚体的形式沉积在纤维束表面 ,难于渗入纤维束内部 ,复合材料结构均匀性差 ,难以致密。沉积机制的差异导致两种复合材料的结构差异 ,使得复合材料的力学性能不同 ,电阻加热时复合材料弯曲强度、断裂韧性和断裂功较高 ;感应加热时复合材料性能较低     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

三维四向C/C复合材料高温氧化环境强度预测

在细观尺度下,基于逐渐损伤理论,建立了一种三维四向C/C复合材料高温强度预测模型。模型考虑了纤维束挤压后的截面形状、单胞的周期性以及纤维束和基体的脱黏等因素,引入考虑温度的三维Hashin失效准则进行单元的失效判定,预测了三维四向C/C复合材料室温和有防氧化保护700 ℃的拉伸强度。为了将模型发展到高温氧化环境,建立了考虑氧化速率的纤维束高温氧化环境力学性能退化模型,结合纤维束和单向板力学性能等价性原理,实现了无防氧化保护下三维四向C/C复合材料700 ℃拉伸强度的预测。研究了切边加工对三维四向复合材料强度的影响,建立了考虑切边宽度的切边三维四向复合材料强度预测模型,预测了有、无防氧化保护切边宽度为18 mm的三维四向C/C复合材料拉伸强度。结果表明:对非切边试验件在室温、有防氧化涂层700 ℃和无防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为5.51%、7.20%和7.13%,拉伸过程的应力-应变曲线与试验结果吻合度较好;对切边试验件在室温和有防氧化涂层700 ℃的预测误差分别为0.88%和4.53%。多种类的算例表明预测模型合理、可靠。      

单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测

通过提取2.5维C/SiC复合材料经纱边界曲线,采用鲁棒最小二乘拟合得到了经纱轴向函数表达式,对拟合后的曲线进行合理简化,建立了参数化的2.5维C/SiC复合材料的有限元模型.采用双尺度模型对2.5维C/SiC复合材料进行刚度预测,分别为考虑纤维/基体/孔隙的微观尺度和考虑经纱/纬纱/孔隙的单胞尺度模型,刚度预测的方法采用刚度平均法和能量法.最后讨论了微观尺度的孔隙率对2.5维C/SiC复合材料弹性模量的影响.结果表明,刚度平均法和能量法的计算结果差异较小,考虑微观孔隙率后,计算结果与试验结果吻合得更好.      

Experimental and numerical investigation of mechanical behavior of plain woven CFRP composites subjected to three-point bending

The mechanical behavior of plain woven Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) composites under Three-Point Bending (TPB) is investigated via experimental and numerical approaches. Multiscale models, including microscale, mesoscale and macroscale models, have been developed to characterize the TPB strength and damages. Thereinto, Representative Volume Elements (RVEs) of the microscale and mesoscale structures are established to determine the effective properties of carbon-fiber yarn and CFRP composites, respectively. Aimed at accurately and efficiently predicting the TPB behavior, an Equivalent Cross-Ply Laminate (ECPL) cell is proposed to simplify the inherent woven architecture, and the effective properties of the subcell are computed using a local homogenization approach. The macroscale model of the TPB specimen is constructed by a topology structure of ECPL cells to predict the mechanical behavior. The TPB experiments have been performed to validate the multiscale models. Both the experimental and numerical results reveal that delamination mainly appears in the top and bottom interfaces of the CFRP laminates. And matrix cracking and delamination are identified as the significant damage modes during the TPB process. Finally, the quasi-static and dynamic behaviors of plain woven composites are discussed by comparing the results of Low-Velocity Impact (LVI) and TPB simulations.     

基于三维通用单胞方法的平纹编织复合材料多尺度损伤模拟方法

为了解决编织复合材料多尺度损伤模拟的技术难题,发展了基于三维通用单胞模型(GMC)的多尺度损伤模拟方法。基于通用单胞方法基本理论,推导宏细观参量的转换公式,设计了宏细观损伤增量步迭代流程。以二维平纹编织陶瓷基复合材料为例,开展了结构单胞的细观损伤模拟,以及其平板试验件的多尺度损伤模拟,得到了细观损伤云图和宏观应力应变曲线。研究表明:该方法模拟的结构单胞细观损伤过程与文献描述的损伤机理相符,预测的平板试验件损伤过程的应力应变曲线与试验结果基本吻合,所预测强度值的相对误差小于5%。