2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。     

纱线规格对3D机织复合材料拉伸性能的影响

为研究纬纱规格对3D层-层斜纹机织复合材料细观结构和力学行为的影响，开展了系统的实验研究。采用光学显微镜观察了不同纬纱规格复合材料的细观纱线结构变化。开展了不同纬纱规格复合材料的拉伸实验，采用数字图像相关法获得了拉伸试样的表面应变场，结合断口形状分析了复合材料的拉伸失效机制。研究表明，随纬纱规格增大，经纱卷曲率增大，经向纤维体积分数减少，经向拉伸力学性能减弱；纬纱卷曲率减小，纬向纤维体积分数增大，纬向拉伸力学性能增强。此外，3D机织复合材料拉伸应力-应变曲线表现出了明显的“台阶”效应，承载纱线的卷曲率越大，“台阶”效应越明显。     

二维与三维机织复合材料面内力学性能对比

设计并制备了结构形式和工艺参数相同的二维机织层合和三维机织复合材料，利用数字图像同步测试技术（DIC）系统地开展了经、纬向拉伸、压缩试验和面内剪切试验。结合试样表面应变场的演化过程和断裂形貌分析，对比研究了二维机织层合复合材料和三维机织复合材料的承载机制、力学性能和失效机制的差异。结果表明，经纱在层间的交织联锁对机织复合材料的宏观力学行为和承载机制有重要影响，三维机织复合材料牺牲了经向拉伸和压缩性能，得到了更好的结构整体性和更高的纬向性能。此外，三维机织复合材料的经向拉伸应力-应变曲线具有明显的非线性特征。同时，经纱对纬纱的强约束导致了纤维束/基体界面上的弱粘接，降低了三维机织复合材料抵抗剪切变形的能力。     

2.5维机织复杂结构件的静强度

采用宏细观结合方法,针对经纱和纬纱等材料组分可能发生的多种失效模式,分别建立了基于改进的Hashin准则的系统性的材料失效准则及不同失效模式下的刚度退化模型.引入逐渐损伤的思想,建立了2.5维机织复杂结构件静强度系统性分析方法.模拟并分析了材料经向拉伸和纬向拉伸的应力-应变曲线,与实验得到的材料应力-应变曲线相比,相同应变下应力误差不超过6.5%,具有较好的重合度;对2.5维机织压气机静子连接结构模拟件开展了逐渐损伤模拟,结果表明:结构损伤主要集中在叶根倒角附近,其中吸力面叶根处的基体压缩失效形式会引起结构大幅变形,是结构破坏的主要原因.      

2.5维自愈合C/SiC复合材料的拉伸应力-应变关系

根据2.5维自愈合C/SiC复合材料的细观结构特点,基于界面开裂和基体开裂的损伤机理,分别建立了该材料经向和纬向拉伸的细观力学模型,进而得到了经向和纬向拉伸的非线性应力-应变关系,应力-应变曲线的预测结果与试验值吻合较好.结果表明:纬向应力-应变曲线的最大预测误差为9%,经向应力-应变曲线的最大预测误差约为10%,经向和纬向的应力-应变关系不同.该模型采用切线弹性模量和平均裂纹间距的方法,省去了以往模型复杂的应变计算过程,使模型得到简化,便于应用.      

考虑基体开裂的陶瓷基复合材料应力-应变曲线模拟方法及验证

提出了蒙特卡罗方法模拟陶瓷基复合材料基体随机开裂过程,采用剪滞模型描述了复合材料出现损伤时细观应力场,并推导得到了考虑基体开裂时复合材料拉伸应力-应变曲线计算公式.开展了室温环境下C/SiC复合材料的单轴拉伸试验,并将理论预测应力-应变曲线与试验结果进行对比.同时,采用该方法对SiC/CAS,SiC/Si₃N₄复合材料应力-应变曲线进行了模拟,并与国外提供的相关试验数据进行比较,发现两者吻合得较好,从而证实了蒙特卡罗法可有效地模拟考虑基体随机开裂过程的陶瓷基复合材料应力-应变曲线.此外,还分析了Weibull模量、残余热应力和初始开裂应力对应力-应变曲线的影响.研究表明:Weibull模量越大,应力-应变曲线非线性越明显;热残余应力越大,应力-应变曲线偏转越早,非线性越明显;初始开裂应力与Weibull模量对应力-应变曲线影响规律相似.      

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。     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

聚氨酯泡沫塑料拉伸本构关系及其失效机理的研究

 通过 3种密度硬质聚氨酯泡沫塑料的拉伸实验,研究了它们的应力 -应变特性及其应变率效应。同时,为确定泡沫塑料拉伸失效机理,对材料进行了扫描电镜下的细观拉伸实验,观察了试件表面胞体的变形与失效过程,再结合宏观拉伸试件断口的扫描电镜分析,进一步讨论了泡沫塑料在拉伸加载下的失效机理。基于泡沫塑料的拉伸应力-应变曲线,用数值方法拟合了泡沫塑料的拉伸本构关系。     

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。     

Multiscale modeling of mechanical behavior and failure mechanism of 3D angle-interlock woven aluminum composites subjected to warp/weft directional tension loading

The mechanical behavior and progressive damage mechanism of novel aluminum matrix composites reinforced with 3D angle-interlock woven carbon fibers were investigated using a multiscale modeling approach. The mechanical properties and failure of yarns were evaluated using a microscale model under different loading scenarios. On this basis, a mesoscale model was developed to analyze the tensile behavior and failure mechanism of the composites. The interfacial decohesion, matrix damage, and failure of fibers and yarns were incorporated into the microscopic and mesoscopic models. The stress–strain curves and fracture modes from simulation show good agreement with the experimental curves and fracture morphology. Local interface and matrix damage initiate first under warp directional tension. Thereafter, interfacial failure, weft yarn cracking, and matrix failure occur successively. Axial fracture of warp yarn, which displays a quasi-ductile fracture characteristic, dominates the ultimate composites failure. Under weft directional tension, interfacial failure and warp yarn rupture occur at the early and middle stages. Matrix failure and weft yarn fracture emerge simultaneously at the final stage, leading to the cata-strophic failure of composites. The weft directional strength and fracture strain are lower than the warp directional ones because of the lower weft density and the more serious brittle fracture of weft yarns.     

单向陶瓷基复合材料单轴拉伸强度研究

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸强度进行研究.采用剪滞模型描述复合材料出现损伤后的细观应力场,结合基体随机开裂模型、断裂力学界面脱黏准则确定基体裂纹间距及界面脱黏长度.当基体裂纹达到饱和后,假设纤维强度服从威布尔分布,完好纤维和断裂纤维承载满足总体载荷承担法则,采用纤维随机失效模型确定继续加载过程中纤维断裂概率及断裂位置,当纤维承载达到最大时,复合材料失效.讨论了基体威布尔模量和特征强度、纤维/基体界面剪应力和界面脱黏能、纤维威布尔模量和特征强度对纤维失效,进而对复合材料拉伸失效强度的影响.与试验数据对比表明:提出的模型是有效的.      

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。     

2.5维机织复合材料疲劳寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的2.5维机织复合材料,建立了疲劳寿命预测方法.该方法主要包括单胞模型、疲劳失效判定准则和材料性能退化方法3部分.选取单胞模型为研究对象,利用三维有限元技术进行应力分析;引入改进的三维Hashin疲劳失效准则和Mises准则作为纤维束和树脂基体的疲劳失效判据;采用刚度性能突降准则描述疲劳失效后的材料性能,采用考虑纤维体积分数影响的剩余刚度和剩余强度退化模型描述失效前材料的性能.通过疲劳寿命预测值与试验值的对比,验证了疲劳寿命预测方法的有效性.研究表明:经向拉-拉疲劳寿命随经纱纤维体积分数增大而增加,纬向拉-拉疲劳寿命受纬纱纤维体积分数影响较小.      

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法，实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型，由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能，并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数，通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测，其中数据的最大偏离为19.61%.      

2.5维机织复合材料纬向拉伸过程初始屈服准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,而目前对该类复合材料的破坏机理和失效原因尚未形成统一的认识。根据三维机织复合材料的拉伸试验现象,基于经纱曲面层板纬向纤维和树脂应力相等的假设,建立了2.5维机织结构复合材料纬向拉伸过程的初始屈服条件和屈服准则。通过对2.5维机织复合材料3种结构12个试件进行纬向拉伸试验及文献中的三维机织复合材料拉伸试验,与计算预测结果的对比表明本文中建立的初始屈服准则的合理性。研究表明,树脂横向裂纹是2.5维结构复合材料纬向拉伸过程初始屈服产生的直接原因;2.5维机织复合材料出现纬向拉伸屈服的条件仅和经纱曲面板内的经纱体积含量、纤维和基体的弹性模量及基体的拉伸破坏强度等因素有关,而与经纱曲面板的走向和层数无关。因为组分弹性模量不同,在纬向拉伸过程中,树脂应变高于复合材料的应变。树脂的初始横向裂纹首先发生在纤维密集处,并向富树脂区扩展;裂纹在向纤维方向扩展过程中受到纤维的阻碍而受到限制。     

不同温度下树脂基复合材料层合板力学性能试验

通过试验的方法研究了双马来酰亚胺树脂浇注体及碳纤维增强树脂基复合材料单向层合板在不同温度下的静态力学性能,并讨论了温度对材料力学行为的影响,最后对材料断口形貌进行了分析.试验结果表明:纯树脂浇注体拉伸、压缩性能受温度影响比较明显,且拉、压性能不同.对于拉伸性能,相对室温均值(20℃),160℃环境下模量均值及强度均值降幅分别为31.73%,44.71%,200℃时又分别下降了21.15%,20.37%;对于压缩性能,相对室温均值,160℃下模量及强度均值分别下降了26.67%,44.40%,而200℃时继续下降了6.66%,12.40%.层合板的纵向拉伸性能受温度影响较小,在200℃内,纵向模量与强度最大变幅分别为2.82%和2.53%,且材料断口从室温下的"毛刷"状变为了沿轴向劈断.材料的横向及面内剪切性能受温度影响较大,且应力-应变曲线存在明显非线性,但横向试件断口平整、面内剪切试件无明显紧缩现象,即均表现为脆性断裂特征.另外,相对室温均值,在160℃时,横向及面内切变模量分别下降约32.96%,41.25%,强度分别下降约15.83%,30.96%;在200℃时,横向及面内剪切性能继续下降,模量降幅为16.83%,22.52%,强度降幅12.24%,11.01%.