三维编织复合材料吸湿的有限元分析

正三维编织复合材料是指采用三维编织技术获得具有整体结构的预制件,并通过一定的加工成型方法与基体材料复合而成的一种高性能复合材料。相较于传统层合复合材料,三维编织复合材料层间性能更加优异,抵抗分层和冲击损伤的能力更强。然而,三维编织复合材料在实际使用中不可避免地会暴露于复杂的外部环境中,疲劳载荷和极端的温度、湿度、辐射等因素会使得复合材料力学性能急剧下降,从而造成一定的安全隐患。在这些因素中,     

基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

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。     

基于连续损伤力学的铝合金冲击局部损伤及后继疲劳寿命

基于连续损伤力学理论,对2A12铝合金冲击局部损伤及后继疲劳寿命进行了研究。首先采用有限元方法模拟了冲击过程,获得冲击凹坑局部的残余应力场与塑性应变场;然后根据残余应力状态选取疲劳破坏的危险点,通过Lermaitre塑性损伤模型得到危险点的初始损伤;最后根据修正的Chaboche疲劳损伤模型估算疲劳寿命。通过与相关的试验结果进行对比验证,表明连续损伤力学结合有限元分析方法可有效评估金属结构冲击损伤及后继疲劳寿命。     

反复荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的力学响应

对于预应力碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composite,CFRP)筋高性能混凝土(High per-formance concrete,HPC)梁,建立了预应力CFRP筋的组合壳单元模型和GFRP筋的分层壳单元模型,结合相关准则研究了预应力CFRP筋HPC梁的几何非线性和材料非线性,分析了反复荷载作用下HPC梁的非线性力学响应。结果表明,单调荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的跨中挠度和CFRP筋应变的计算结果与试验数据均吻合良好,证明了所提出单元的有效性和研制程序的正确性;反复荷载作用下预应力CFRP筋HPC梁的受拉区配筋种类对HPC梁的力学响应具有显著影响,且梁体破坏时CFRP筋和GFRP筋均未达到相应的极限强度,所得结论供HPC梁设计参考。     

三维机织复合材料的力学模型与实验验证

对三维机织复合材料的细观几何结构进行了深入的研究。采用椭圆形纤维束截面假设，详细研究了经纱纤维束在织物表面与内部的不同。建立了一种新的三维机织复合材料力学分析模型，并对其弹性常数进行了预测。研究了三维机织物的复合成型工艺，制作了实验件并进行了性能实验。通过实验值和理论预测值的对比，表明了力学模型的正确性。     

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。