高温下泡沫夹芯材料Ⅰ/Ⅱ混合型界面断裂特性试验（英文）

泡沫芯夹层材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优点在土木工程中得到了广泛的应用。然而,泡沫芯夹层材料的界面结合强度在高温下有所减弱。在实际应用中,由于复合材料和泡沫材料对环境温度的变化非常敏感,高温的影响是不可忽视的。在本研究中,通过一系列单臂弯曲梁在不同温度下的试验来评估高温对泡沫芯夹层材料Ⅰ/Ⅱ型混合界面断裂的影响。温度范围为29～90℃,覆盖了复合材料和泡沫芯的玻璃化转变温度。总结了Ⅰ/Ⅱ型混合界面裂纹扩展及其相应的界面应变能释放速率。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

复合材料多向层间Ⅲ型分层断裂韧性实验研究

通过对多向层合板刚度和热弹性的分析，给出了适于测量复合材料多向层间Ⅲ型分层断裂韧性的试样铺层；改进了裂口悬臂梁测试方法的试验夹具，使其简单可靠且易于操作。实验研究了Ｓ２／６４８玻璃纤维增强环氧复合材料多向层间（０／θ）的Ⅲ型分层断裂韧性，结果表明：对所研究的复合材料，其单向层间的Ⅲ型分层断裂有纤维架桥效应，断裂韧性Ｇ（ⅢＣ）先随裂纹扩展线性增加，而后趋于常值；而多向层间（０／θ）的Ⅲ型分层断裂韧性则没有明显的纤维架桥效应，且断裂韧性Ｇ　的测试值与层间参数θ没有明显的相关性。     

穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击性能试验研究

针对普通泡沫夹层复合材料层间性能较弱的问题，提出在泡沫上预先打孔的方法，在泡沫芯材中形成胶钉从而提高泡沫夹层材料的力学性能，并对穿孔泡沫夹层复合材料的低速冲击性能进行了研究。通过手糊和真空辅助成形工艺制备穿孔泡沫夹层复合材料试验件，对其进行不同能量的低速冲击试验，记录接触力、冲头位移和能量吸收率等力学响应，并采用目视检测和超声C扫无损检测两种方法确定冲击损伤的范围，探究胶钉密度、打孔深度和泡沫槽宽等变量对穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击阻抗性能的影响。试验结果表明，随着冲击能量的增加，最大接触力、最大冲头位移和残余变形均增加，凹坑深度和内部损伤面积也增大，同时结构的能量吸收率也有所提高；适当地增加胶钉密度和泡沫槽宽能提高穿孔泡沫夹层材料的低速冲击阻抗性能，而泡沫孔深度对其冲击性能的影响较小。     

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.     

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。     

GFRP泡沫夹芯管轴压局部屈曲试验分析（英文）

为研究玻璃纤维增强塑料(Glass fiber reinforced plastic,GFRP)泡沫夹芯管轴向受压局部屈曲性能,本文开展了以聚氨酯泡沫为芯层的GFRP泡沫夹芯管的轴向受压屈曲试验,并在试验的基础上开展了局部屈曲性能数值模拟分析,得到了这种结构的屈曲破坏现象和相关参数影响规律。研究表明,GFRP泡沫夹芯圆柱壳的局部屈曲有共同屈曲和分层屈曲两种形式;端部局部屈曲、端部剪切破坏和界面剥离是比局部屈曲更低效的破坏形式,需通过构造措施来加以抑制;局部屈曲承载力随芯层密度的增加而线性增加;当芯层密度较高(大于0.05g/cm~3)时,增加芯层密度对提高承载效率的效果对于壁厚较大的试件不如对壁厚较小的试件明显;局部分层屈曲是比局部共同屈曲承载效率更低的破坏形式,可通过提高芯层密度加以抑制,保证内外管壁协调工作;夹芯圆柱壳承载力均随高径比的增加而增加,但承载效率随高径比的增加而持续下降。     

涤纶增强橡胶基复合材料各向异性超弹性本构研究

基于一种适用于平纹涤纶增强橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型，将应变能分解为橡胶基体应变能、织物纤维拉伸应变能与织物增强橡胶剪切应变能3部分，并根据单轴拉伸试验数据确定了本构模型参数。编写了有限元材料子程序进行仿真分析，并与试验数据对比验证了本构模型的合理性。该模型从宏观出发，能更好地表征复合材料编织物在拉伸过程中由于大变形所引起的非线性各向异性力学行为，具有结果准确、简单实用等优点，为织物增强橡胶复合材料的设计应用提供了理论依据。     

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。     

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。     

受压脱层层板的有限元分析

受压复合材料脱层层合板的局部屈曲,在脱层尖端引起很大的应力集中,导致脱层扩展而发生破坏。本文利用一阶剪切的直线层板理论和折线层板理论,建立了一维受压脱层层合板的分析模型,进而根据虚裂纹闭合技术,得出了脱层尖端能量释放率各型分量G_Ⅰ,G_Ⅱ,G_Ⅲ的一维有限元计算表达式,并且验证了该方法的正确性。通过数值计算,讨论了外载、脱层长度和层板纤维铺层方向对能量释放率的影响。结果表明,脱层的扩展取决G_Ⅰ和G_Ⅱ,而C_Ⅲ的影响可以忽略不计。对于外载较大时发生的脱层扩展,很可能诱发层板的整体失稳,脱层的扩展将变成破坏性的快速扩展。     

低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

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.     

二维编织C／SiC复合材料高温拉伸性能研究

对二维编织C／SiC复合材料在1300℃高温氩气、湿氧环境下拉伸性能进行了实验,结合断口观察分析了其在拉伸载荷下的损伤和破坏机理。试验结果表明,二维编织C／SiC复合材料在高温氩气、湿氧环境下表现为非线性特征,通过对比发现,由于氧化作用,高温氩气环境下拉伸强度、破坏应变和比例极限均高于高温湿氧环境。断口观察表明,基体开裂、层间分层以及纤维和纤维束的断裂拔出是材料拉伸破坏的主要形式。     

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。     

基于周期性边界条件的机织复合材料多尺度分析

针对平纹机织复合材料,首先从微观纤维直径尺度,采用三维实体有限元方法计算纤维束的等效性能参数。然后将这些参数代入细观尺度的机织单胞模型中,得到宏观结构的平均弹性常数。在两个尺度有限元的分析中,均摒弃了传统有限元分析中采用的等应力或等应变假设,引入周期性边界条件,同时保证了周期性单胞边界面的应力连续和位移连续。分析结果表明,对于机织周期性单胞,在剪切和拉伸情况下其边界面均不全部保持为平面,纠正了此前认为在拉伸情况下单胞边界面仍保持平面的错误假设。纤维束分析结果与使用实验修正参数的细观力学理论公式结果吻合良好,织物单胞的分析结果也与弯曲层板组合模型结果较为接近,证明了分析方法的正确性。     

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。     

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。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。