陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

弱界面黏结通用单胞模型理论及应用

将通用单胞模型与弱界面分离模型结合.首先推导了增量型通用单胞模型计算公式, 然后采用界面位移公式对平均位移连续条件进行改造, 建立子胞平均应变增量和宏观应变增量的函数关系.应用子胞增量本构方程得到子胞平均应力增量表达式, 采用均匀化方法获得宏观应力增量表达式.最后采用渐进适应界面模型模拟了长纤维复合材料的横向拉伸过程.算例分析表明, 将界面分离模型和通用单胞模型结合能较好地模拟复合材料在拉伸载荷下的宏观响应.      

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

三维机织复合材料细观黏弹性梁模型

建立了两种组合梁模型,分别模拟3D机织复合材料内部和表面纤维束的细观结构,模型反映了纤维束细观结构和变形的周期性,考虑了纤维束的局部弯/剪耦合效应和局部偏轴效应。实验确定了一种树脂基体各向同性蠕变本构的参数,在此基础上建立了纤维束横观各向同性的蠕变本构模型,将基体和纤维束的蠕变本构应用于上述细观组合梁模型,用于分析3D机织复合材料宏观平均的黏弹性应力应变响应。用上述模型分析了一种环氧树脂/玻纤体系3D机织复合材料的细观应力分布和平均宏观模量,模拟了其蠕变、弹性回复曲线,模型预测与实验结果吻合。     

镍基单晶合金高温蠕变筏化模型研究

在基于细观两相胞元结构的滑移本构模型基础上,引入高温蠕变筏化机制,并与三维胞元应力应变解析模型结合,来模拟DD3在1223K和SRR99在1123K和1253K下的蠕变筏化。文章首先给三维胞元应力应变解析模型引入细观胞元尺寸的变化,再通过对相关理论及试验观测的分析,提出以γ/γ′各界面位错密度的大小和基体各通道有效应力的状态为依据来判断 的筏化类型和方向,最后应用Avrami方程定量分析胞元中 的高温筏化过程,通过对细观胞元尺寸和应力应变状态的实时更新,再结合细观滑移本构模型得到材料的高温蠕变全过程。模拟结果表明,本模型提出的对筏化类型和方向的判断均与试验所得结论相吻合,且其筏化过程也基本符合试验观测的结果,筏化定量分析的加入使此考虑细观胞元结构的滑移本构模型可以较准确的模拟单晶材料的高温蠕变性能。     

镍基单晶合金高温蠕变筏化模型研究

基于细观两相胞元结构的滑移本构模型, 引入高温蠕变筏化机制, 并与三维胞元应力应变解析模型结合, 模拟了DD3在1 223 K和SRR99在1 123 K及1 253 K下的蠕变筏化.在胞元应力模型中引入细观尺寸变化, 提出了判断γ′筏化类型和方向的准则, 定量模拟了γ′的高温筏化过程.结果表明:本模型对筏化方向的判断和筏化过程的模拟与试验相吻合, 筏化模型的引入使基于细观胞元结构的滑移本构模型可以较准确地模拟单晶材料的高温蠕变行为.      

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%。     

基于不可逆热力学的宏细观粘弹性损伤本构模型

为建立复合固体推进剂的损伤本构模型,基于不可逆热力学和叠加原理,通过引入宏观损伤效应张量,推导出一个通过有效应力表征损伤的蠕变型损伤本构方程。假设材料为初始各向同性,进一步引入细观标量损伤效应函数表征材料对称性的改变,进而得到由细观损伤效应函数表征宏观损伤效应张量的一般表达式。通过选取合适的细观损伤效应函数,文中建立的本构方程可以用于表征材料的正交各向异性损伤、横观各向同性损伤和各向同性损伤。最后,基于Schapery粘弹性微裂纹扩展模型,选取相对微裂纹密度为损伤内变量,建立了一个由损伤热力学对偶力表征的幂律型损伤演化方程。数值结果表明,建立的模型能够较好地反映材料损伤的率相关性和温度依赖性,具有良好的预测精度。     

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。     

基于能量原理的直升机系留载荷计算

针对直升机系留系统,基于虚功原理推导了机体刚体位移的方程组。应用Newton-Raphson迭代法可求解机体在外载作用下的刚体位移,从而求得系留索和系留接头的载荷。与有限元方法相比,此方法便于处理索具的预紧力和起落架的初始压缩,计算精度也符合工程应用的要求。     

基于非局部理论的一维损伤模型的有限元算法

为了解决损伤局部化问题的网格依赖性,采用非局部理论,从损伤本构关系中引入特征长度入手,建立非局部损伤本构模型。提出了一种新的单元,将位移、非局部应变和非局部应变梯度作为基本的未知量,引入了C-1连续的形函数,并推导了非局部损伤本构模型的有限元格式。在ABAQUS中进行了二次开发,嵌入了本文提出的单元和本构模型,并用ABAQUS软件分析了一维损伤结构的受力情况。计算结果表明,数值模拟与理论推导结果的总体趋势吻合得较好,证明了本文方法的正确性与可行性。     

大型挠性充液卫星的动力学模型

研究了带有多个挠性附件和液体燃料贮箱的中继卫星系统的动力学建模问题。给出了微重力下小幅线性晃动等效模型基本参数，用混合坐标法描述中继卫星系统的构形，利用虚功原理推导出的矩阵形式的中继卫星动力学模型简洁且具有一般性，适用于许多开链飞行器系统。     

整体复合材料结构分层特性研究进展（二）

整体复合材料件越来越多地被用作现代航空航天器的主承力结构,而分层是其最易出现的破坏形式。本文作为整体复合材料结构分层特性综述的第二部分,重点介绍了虚拟裂纹闭合技术和内聚区模型。论文首先对虚拟裂纹闭合技术的发展历史、基本公式和进行数值计算时需要注意的问题进行了阐述,介绍了该方法在复合材料分层研究中的最近应用情况。其次,详述了内聚区模型的发展历史、本构关系、界面参数,并对最近的应用情况进行了介绍。     

四边简支压电热弹性体层合开口壳的精确解

根据压电热弹性体的本构关系和热传导关系的相似性,通过增维方式将热传导关系写进压电热弹性体的本构关系中,直接得到了一个新的增维的压电热弹性体本构关系。依据此增维的本构关系,结合压电热弹性体平衡方程和热平衡方程,成功地导出了压电热弹性体层合开口壳机、电、热耦合问题的齐次状态方程。这类方法大大简化了人们在分析压电热弹性体耦合问题时通常要求解的非齐次微分方程和关于温度的平衡方程和导热方程的二阶微分方程的繁琐方法,同时,齐次状态方程的提出大大减少了数值计算的工作量。     

Residual stress indentation model based on material equivalence

A novel residual stress indentation model for conical indentation loading is proposed to describe the relationship between the residual stress, material constitutive parameters, load, and displacement for materials with a uniaxial constitutive relationship that obeys Hollomon’s power law (H-law). The novel model was established based on the principle that the equivalent material without residual stress corresponds to the original material with residual stress, conical indentation theoretical model based on energy density equivalence, and an assumed power-law relationship between the dimensionless residual stress and relative difference of the yield stresses of the equivalent material and original material. Sixty imaginary H-law materials with ten equibiaxial and ten uniaxial residual stresses were investigated by Finite Element Analysis (FEA). The residual stresses predicted by the novel model from the indentation load–displacement curves simulated for the imaginary materials are in close agreement with those applied by the FEA. Finally, indentation tests for Cr12MoV steel, 45 steel, and 6061-T6511 aluminum alloy were carried out on their specimens without residual stress and their bending specimens with equibiaxial and uniaxial residual stresses. The residual stresses predicted by the novel model according to the indentation load–displacement test curves are in good agreement with those applied by the tests.     

用微元法建立单刚体动力学的虚加速度原理和虚力原理

本文首先从刚体动力学方程出发,利用变积法推得其虚加速度原理和虚力原理,然后用微元法思想由质点系动力学的虚加速度原理、虚力原理推得刚体动力学的虚加速度原理与虚力原理,并对两种方法本身进行了比较。由于本文的推导方法是从连续介质力学的观点进行的,故这种方法对进一步建立单柔体、多柔体动力学的虚加速度原理和虚力原理具有重要应用价值,进而对现在热点之一的柔性飞行器动力学的研究有潜在的意义。     

求解受钉传载荷含双边非对称边缘裂纹各向异性板的解析－变分方法

以单边边缘裂纹二维应力场与位移场展开式为基础,采用分区广义变分原理研究受钉传载荷含双边非对称边缘裂纹各向异性板应力强度因子。首先建立精确满足各向异性板基本微分方程和绕钉孔的合力平衡条件及位移单值条件的应力场和位移场的级数表达式,然后应用分区广义变分方法满足边界条件及子域间的交界条件并由此确定应力强度因子。在变分方程中只存在沿板边界的线积分,简化了计算程序和输入数据,且计算结果收敛迅速、准确。给出了求解非对称边缘裂纹问题的系统计算曲线。     

高速切削有限元模拟技术研究

有限元模拟是研究高速切削机理的有效方法,本文致力于有限元模拟所必需的关键技术研究。依据大变形理论和虚功原理对高速切削过程进行分析,建立了基于拉格朗日描述的有限元控制方程。通过研究材料动态本构关系、刀屑接触、切屑分离、切屑断裂和切削热动态耗散与传导关键技术建立了正交切削有限元模型,提出材料本构关系建立方法和切屑断裂能量解释观点,最后结合实例进行高速切削模拟,并对模拟结果进行分析和验证,指出所建立的有限元模型是合理的。