纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细现力学方法研究了纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料迟滞回线的影响.采用库仑摩擦法则描述脱粘区界面剪应力分布,结合拉梅公式得到了界面脱粘区和粘结区的细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加、卸栽纤维轴向应力分布,假设纤维轴向应力在界面脱粘尖端连续得到了初载时界面脱粘长度ls、卸载时界面反向滑移长度y以及重新加载时界面滑移长度z',讨论了纤维泊松比、纤维体积百分数和界面摩擦系数对加卸栽界面滑移长度、迟滞回线的影响.由于考虑了纤雏泊松收缩的影响,预测的迟滞回线面积及卸载残余应变大于Pryce-Smith模型预测值.     

外伸梁弯曲法确定薄膜界面力学性能

为了研究用外伸梁弯曲法确定薄膜/基体界面强度的可行性,采用零厚度内聚力单元来模拟薄膜/基体界面结合层的剥离失效。对外伸梁施加“加载-卸载”的载荷历程,利用加载过程中的界面开裂引起的能量耗散来表征界面能量释放率。采用二次名义应变准则和Benzeggagh-Kenane断裂准则来定义界面损伤演化和失效。研究结果表明,外伸梁弯曲法可以有效地测量薄膜杨氏模量和界面强度。文中提出的方法简便有效,具有一定的工程应用价值。     

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。     

石英光纤与树脂界面剪切强度实验研究

为了克服无法精确控制光纤埋入长度和埋入方向等缺点,重新设计了光纤单丝拔出实验.有限元计算结果表明,新旧方法下,光纤各部分剪切应力的分布规律相同,且各相应应力数值误差不超过5%.根据原理设计了纤维穿透基体的光纤拔出实验模具,并进行了普通单模光纤以及碳涂敷单模光纤与基体材料间界面剪切强度实验研究.光纤单丝拔出实验现象表明,光纤涂敷层与内部包覆层间界面平均剪切强度较低,因该强度值与光纤周围的基体材料上承受的沿光纤轴向的正应力相关,若将光纤埋入到复合材料中去,轴向载荷不宜过大,否则会出现光纤涂敷层和包覆层之间界面剪切剥离,产生裂纹,从而降低整体结构的力学性能.     

正交铺设陶瓷基复合材料基体裂纹演化研究(英文)

采用能量平衡法对正交铺设陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷作用下的基体裂纹演化进行了研究。在拉伸载荷的作用下,正交铺设陶瓷基复合材料有5种开裂模式。开裂模式3包括横向开裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘;开裂模式5只包括基体开裂和纤维/基体界面脱粘。本文得到了两条横向裂纹之间出现开裂模式3和5的初始基体开裂应力;并得到了开裂模式3多裂纹演化的初始基体开裂应力。讨论了铺层厚度、纤维体积含量、纤维/基体界面剪应力和界面脱粘能对基体开裂应力和基体裂纹演化的影响。结果表明,对于SiC/CAS材料而言,两条横向裂纹之间首先出现开裂模式3。     

周期分布压电纤维复合材料平面问题研究

为了探索压电纤维复合材料中局部应力场的分布规律和准确预测其有效刚度,基于复变函数理论和线性压电理论,得到了含周期分布压电纤维复合材料平面问题的半解析解。根据单胞内基体和夹杂所占区域的几何特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在基体与夹杂的相邻界面上应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而确定局部场,最后根据平均场理论给出了复合材料有效刚度和等效压电常数。结果表明:当基体模量大于压电夹杂模量时,电载荷对夹杂周围的局部应力场的影响是显著的,施加沿压电夹杂极化方向的正向电载荷有可能使基体与夹杂相邻界面上的最大等效应力位置相对于无电载或施加反向电载荷时发生90°改变;反之,电载荷对局部应力场几乎没有影响。由于微观结构的对称性,使得复合材料宏观上沿两个对称轴方向具有相同的刚度。同时还发现等效压电系数对基体模量非常敏感。     

应力极值分布、强度威布尔分布的可靠性

本文运用应力—强度干涉理论,推导了应力为Ⅰ型极小值分布,强度为威布尔分布的可靠度计算公式,并对冗长的计算公式进行简化,在简化公式的基础上,运用一定的数学技巧,改变积分公式中的积分变量和上下限。将被积函数化成在某一区域内的可积函数。采用de Boor编制的一种严谨的自适应Romberg外推格式的FORTRAN程序进行数值积分。对应予不同的组合参数,给出应力服从Ⅰ型极小值分布,强度服从威布尔分布的可靠度数值。本文最后讨论了服从这两种分布的组合参数的变化对可算度数值变化的影响。     

张力场对复合材料层板组合梁连接强度的影响

基于纯剪切方板后屈曲阶段边界受力分析,设计了考虑蒙皮支持刚度的复合材料"工"形层板组合梁试验件,采用对角拉伸加载方式,考察了腹板后屈曲张力场对层板组合梁连接强度的影响,并采用基于黏聚区模型的有限元方法对试验进行了仿真分析,研究了界面的失效过程与机理。研究表明:腹板后屈曲阶段形成的张力场在连接界面上产生附加的剥离载荷,使界面呈现Ⅰ/Ⅱ型复合受力状态,加速界面破坏;考虑蒙皮支持刚度的剪切试验在腹板发生失稳后使蒙皮产生法向变形,一定程度上减弱了界面剥离载荷的增加,梁结构的破坏载荷略有提高;试验的破坏模式表现为腹板的纤维压缩破坏和缘条-蒙皮界面的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂;黏聚区模型能够很好地模拟复合材料界面的破坏,仿真与试验基本一致。     

循环内聚力模型的修正及算法研究

针对Roe等提出的循环内聚力模型中切向卸载/再加载路径与典型的循环应力应变曲线之间存在一定偏差,反向加载时界面单元不能延续卸载前的牵引-分离关系,本文在界面单元遵循等向硬化规律的前提下,提出了切向卸载/再加载规律的修正方法。编写了修正后循环内聚力模型的UEL子程序,采用修正后的循环内聚力模型,在ABAQUS中计算得到自定义界面单元的卸载/再加载路径和循环牵引-分离关系,结果与疲劳理论相吻合。基于修正后的循环内聚力模型,可对粘接界面进行疲劳失效分析。     

冷挤压孔的有限元分析研究(英文)

带切缝衬套的冷挤压强化技术由于引入了残余应力,可以显著提高飞机紧固件孔的疲劳寿命。本文针对目前的研究冷挤压孔边残余应力,大都采用基于厚壁圆筒的轴对称小变形、平面应力状态、孔边受力为均布载荷等假设所带来的不足,提出了采用三维分析模型,并考虑衬套对孔边受力的影响、试件在孔轴线方向上的应力差异等因素,研究了带衬套挤压件在加载、卸载及疲劳拉伸载荷状态下的应力分布,并与无衬套挤压时的状态进行比较,从机理上揭示了带衬套挤压在改善试件抗疲劳性能方面的优势。     

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.     

氧化铝陶瓷SHPB加载下的数值模拟研究

利用微裂纹扩展区模型,在JH-2本构模型中增加了类似于TCK本构模型的拉伸损伤因子,编制了材料本构模型子程序,并将其嵌入到LS-DYNA970有限元软件中,对SHPB实验进行了数值模拟。结果表明,Weibull参数k对陶瓷试样的拉伸损伤有较大的影响,当Weibull参数k值小于1×1020时,试样破坏是压缩破坏;当Weibull参数k超过1×1028时,试样破坏是拉伸损伤破坏。当载荷超过陶瓷压缩强度时,含初始裂纹氧化铝陶瓷的破坏形式是拉伸损伤和压缩破坏共同作用的结果;当载荷小于陶瓷压缩强度时,JC陶瓷破坏是拉伸损伤作用的结果。     

Debonding Patch Detection in FRP-Strengthened Materials with Fiber-Optic Interferometer

The interfacial debonding in fiber-reinforced plastic(FRP)strengthened repair material will affect the bonding strength and lead to failure of the repair without warning.Unfortunately the interfacial damage is normally invisible and often in the form of a patch rather than a through-width crack.Therefore,a debonding patch detection technique based on fiber optic interferometry is proposed.A quasi-impulse loading is applied with a rubberhead hammer and the total elongation of a surface-mounted optical fiber along the length of the repair material is measured as a function of load position.When a debonding patch is present,the induced sudden slope or sign change on the plot of fiber integral strain v.s.load position will reveal the extent and the location of the debonded area.The results of the study indicate that the proposed technique is applicable for debonding patch detection in repaired members under various support conditions.     

再生型木塑复合材料的研究

为了充分利用城市固体废弃物中的各项资源,本项工作将固体废弃物中的高密度聚乙烯(H igh dens itypo lyethy lene,HDPE)回收后与废弃的木纤维进行复合,成功地制备出再生型木塑复合材料。研究了木纤维长度、含量以及相容剂对木塑复合材料热性能和力学性能的影响。通过扫描电子显微镜观察了复合材料的冲击断口形貌,分析了此类复合材料的断裂机制。结果表明:木纤维的加入使HDPE的结晶温度降低,结晶速度减慢;相容剂的加入大大改善了木纤维与基体树脂之间的界面结合。随着木纤维含量的增加,木塑复合材料的弯曲强度升高,冲击强度下降。     

胶合搭接连接的界面应力

采用边界元法计算了分析了具有理想界面和非理想界面的双板条胶合搭接连接的界面应力。经计算得到了完整胶合界面时界面应力的分布,得出在胶合界面两端出现了应力集中现象;胶合界面发生开裂后的界面应力分布,理想界面裂纹尖端的复应力强度因子和非理想界面裂纹前洞的应变能密度。     

Performance Improvement Method of CFRP with Embedded Optical Fiber

Optical fiber-based sensors are usually applied in structural health monitoring(SHM)as part of smart materials.The weak interface between the optical fiber and the host material will reduce the mechanical performance of the smart materials.Normally,the principal parts of the optical fibers are inorganic,while the matrix of host material is organic.These two kinds of materials can not be combined.Micro-fracture can be found in smart materials.Two methods for improving the interface are proposed.Firstly,the influence of the interface size on the strength is studied.Secondly,interfacial treatment before embedding the optical fiber into the composite is analyzed.Compressive tests of composite laminated specimens are conducted to evaluate the proposed methods.The specimens are produced from T300Carbon/epoxy prepreg,with different treated optical fiber embedded inside.The experimental results indicate that smaller interface size and proper treatment will strengthen the whole structure.