面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

SGF/PP泡沫复合材料的发泡效果和力学性能

用单螺杆挤出机及型内二步法发泡工艺制备了短玻璃纤维(Short glass fiber,SGF)增强聚丙烯(Polypropylene,PP)泡沫复合材料,研究了SGF的质量分数对泡沫复合材料的泡孔形貌、界面粘结和力学性能的影响。结果表明,SGF的引入提高了共混体系的熔体强度,能够获得泡径细小且分布均匀的闭孔结构;偶联剂的表面包覆改善了SGF与PP的相容性,显著增强了两者的界面结合;随着增强纤维的加入,SGF/PP泡沫复合材料的冲击韧度和抗弯强度均呈现先增后降的变化趋势,并在SGF的含量为20%时达到最大值;研究发现,适量的SGF在共混体系中分散均匀且与基体的界面结合和共混体系的发泡效果得到显著改善,决定了SGF/PP泡沫复合材料能够获得优异的力学性能。     

聚氨酯改性环氧树脂的研究

用原位聚合法制备了聚氨酯/环氧树脂复合材料,考察了不同因素对刚性聚氨酯/环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明,在所得复合材料中,当聚氨酯含量不高时,其冲击强度、拉伸强度和耐热稳定性能同时得到提高;若刚性聚氨酯含量超过一定范围,材料的拉伸强度逐渐降低。比较了聚酰胺、咪唑、三乙胺、三乙烯二胺四种固化剂的固化效果,结果表明,聚酰胺固化效果最好,咪唑的固化效果次之,三乙胺固化改性后的力学性能较差,而三乙烯二胺不能完全固化聚氨酯/环氧树脂复合材料。制得了拉伸强度为54.6MPa,冲击强度为12.025KJ.m-2的高韧性聚氨酯/环氧树脂复合材料。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

层合复合材料薄板高速冲击损伤研究

针对任意角度铺层的复合材料层合薄板基于高速冲击过程中的能量守恒,建立了复合材料层板高速冲击问题的力学分析模型.该模型考虑了纤维断裂、基体裂纹和分层3种主要损伤形式.根据高应变率下单层板的本构关系,采用波的传播理论,计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场,利用能量守恒迭代求解弹体的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量.文中着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状,详细讨论了冲击速度,弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响.数值分析结果与试验吻合,证明了本文模型的有效性.     

纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度与渐进损伤分析方法研究

针对纤维增强陶瓷基复合材料热结构力学性能特点,基于Tsai-Wu强度准则,提出了一种适用于纤维增强陶瓷基复合材料热结构综合强度分析的三维实体型渐进损伤分析方法;基于ANSYS软件APDL语言完成了分析方法的程序开发和实现,并通过与文献经典算例及典型热结构强度试验结果的对比分析,验证了本文方法的合理性和正确性。研究结果表明:本文方法可有效分析和预示纤维增强陶瓷基复合材料热结构的承载能力和损伤失效形式,具有很高仿真分析精度,解决了力热综合条件下复杂热结构强度预示与渐进损伤分析评估技术难题。     

纳米ZnO/PEG/PET复合材料的原位聚合制备及其性能

通过原位聚合制备了纳米氧化锌颗粒增强不同添加量和分子量的聚乙二醇（PEG）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）共聚物的复合材料。研究了纳米粒子在基体里的分散,以及纳米粒子和PEG对复合材料结晶行为的影响。结果显示,纳米粒子在基体中以纳米尺度分散起晶核作用。PEG的加入使得纳米粒子分散更加均匀,PEG分子链段改善了PET分子链的柔性,由此导致复合材料的冷结晶温度降低,结晶速率提高。研究发现,当添加10％分子量为4000的PEG时,复合材料的结晶速率快速提高。复合材料的力学性能结果说明,纳米粒子对PET基体有增强增韧作用,但PEG会弱化该作用。     

复合材料长桁结构低速冲击响应及剩余压缩承载能力的试验研究（英文）

对3种截面形状的复合材料长桁实施了2类冲击方向的损伤试验,建立了冲击能量与可见损伤尺度之间的内在联系,并据此确定了3种复合材料长桁产生勉强目视可见冲击损伤(Barely visible impact damage,BVID)所需的临界冲击能量。针对含有BVID的复合材料长桁试样,进行了额外的冲击后压缩试验,测得每种复合材料长桁的剩余压缩强度。研究结果表明,3种不同截面形状的复合材料长桁均呈现一致的规律:相对于面外冲击载荷,面内冲击载荷对应着更小的临界冲击能量以及更大的剩余强度衰减幅度。研究还表明在2种不同方向的冲击载荷影响下,I型长桁具有最高的冲击损伤可见度、且T型长桁居中、J型长桁最弱。同时,T型长桁具有最高的剩余承载能力、且J型长桁居中、I型长桁最弱。综合冲击损伤可见度及剩余承载能力2个关键指标,可认为3种截面形状中,T型复合材料长桁性能最优。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

均匀化有限元法预测双向纤维增强复合材料力学性能

采用一个3D代表体积单元(RVE)微观模型并结合均匀化有限元的方法预测了双向连续纤维增强复合材料的力学性能。假设纤维和基体在其应力达到抗拉强度之前满足线弹性规律。分别分析了纤维/基体弹性模量比、泊松比及其纤维含量的对复合材料宏观力学性能的影响;以及采用内聚力模型分析界面性能对整体力学性能的影响。结果显示:纤维泊松比对复合材料力学性能影响很小;纤维模量对复合材料抗拉强度及面外方向的弹性模量影响较小,但对面内方向的弹性模量影响较大;随纤维含量的增加,宏观弹性模量及面内抗拉强度随之线性增加,而面外抗拉强度有减小趋势;界面的存在会降低复合材料的抗拉强度。     

碳/锌复合材料的制备与性能研究

本文采用真空液态渗透法制备了碳/锌复合材料。拉伸和磨损试验表明:碳纤维的加入,明显提高了锌以及锌合金的抗拉强度,改善了锌合金的摩擦磨损特性。用S-570扫描电镜观察了碳/锌复合材料的拉伸和冲击断口,以及碳/锌复合材料的磨损表面,并用X-射线能谱仪对断口进行了分析。此外,本文还对碳/锌复合材料的纵向拉伸性能、纵向冲击性能以及摩擦磨损性能的影响因素进行了讨论。     

玄武岩纤维及其格栅布对超高性能水泥基复合材料力学性能的影响规律

通过大掺量超细工业废渣及采用普通工艺成功制备了3类超高性能水泥基复合材料,分别测试了其7,28,90 d的抗压强度和抗折强度,并对其进行了分析。讨论了玄武岩纤维及玄武岩纤维格栅布对其力学性能的影响,并对其弯曲荷载-挠度曲线进行了分析。结果表明,玄武岩纤维体积掺量为0.5%~1.5%时可以提高混凝土的抗折强度和抗压强度,但提高幅度有限,而玄武岩纤维格栅布对提高复合材料的力学性能有明显的效果,表现出良好的增强增韧效果。     

负压实型铸造法制备金属基复合材料的工艺研究

运用负压实型铸造法（Ｖ－ＥＰＣ）成功地制备了钢纤维增强铝基复合材料，对所制备的试样进行了力学性能测试并观察了微观组织和断口形貌。试验表明，机械固结法可用于制备纤维预制件，最佳浇注工艺参数为浇注温度７３０～７４０℃，浇注速度３～４ ｋｇ／ｓ，铸型负压度－ ０．０２５～－ ０．０４０ ＭＰａ。分析了气化模制备的影响因素以及浇注工艺参数对复合材料性能的影响。     

颗粒增强锌基复合材料断裂与断口分析

为探讨颗粒增强低熔点金属基复合材料的性能和断裂特性，扩大锌合金的应用范围，本项工作采用流变铸造法制备了ＳｉＣｐ／Ｚｎ，Ａｌ２Ｏ３ｐ／Ｚｎ基复合材料，对该材料进行了冲击韧性、弯曲强度、压缩强度等性能测试，观察了其断口形貌，分析了其断裂特性，提出了此类复合材料的断裂模式。文中还讨论了增强颗粒的表面处理、粒子含量、粒径大小、粒于种类、基体合金种类对复合材料性能的影响。     

Cracking and Mechanical Properties of Airport Concrete Pavement with Fiber and Expansive Agent

Polypropylene fiber and expansive agent are used in airport concrete to improve its shrinkage cracking resistance and mechanical properties. The concrete specimens with amount content of polypropylene fiber or expansive agent or both of them are prepared. The morphology of specimens is observed by scanning electron microscope, the time when the first crack occurred is recorded through slap test, and the mechanical properties such as compressive strength and impact energies of concrete are measured. The results show that polypropylene fiber in concrete can reduce the shrinkage and delay the first crack, improve the impact resistance obviously, and improve the compressive strength slightly. Expansive agent can compensate the shrinkage and reduce cracks of concrete pavement markedly, and improve the mechanical properties of concrete pavement slightly. The study provides recommendations for cracking control of airport concrete pavement in the future.     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

航空发动机陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型研究进展

对陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型的研究进展进行综述。首先,简要回顾了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,综述了单向、铺层和编织陶瓷基复合材料细观疲劳失效模式与疲劳迟滞机理。总结出纤维增强陶瓷基复合材料基本的细观失效模式是:基体裂纹、纤维/基体界面脱粘和纤维断裂、铺层陶瓷基复合材料中的铺层/铺层界面脱粘以及编织陶瓷基复合材料中的纱线/纱线界面和纱线/基体界面脱粘。脱粘后的各类界面在循环载荷下的界面滑移是导致疲劳迟滞行为的根本原因。然后,详细分析了陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为力学建模研究历史与现状,指出了其中存在的问题。最后,对陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为研究的发展趋势进行了展望。