单向C/SiC复合材料热残余应力数值模拟研究

连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备过程中因纤维与基体线胀系数失配会产生热残余应力,从而导致纤维脱粘、基体开裂等现象,严重影响复合材料力学性能。本文针对CVI工艺制备的单向C/SiC复合材料,建立"纤维-界面-基体"单胞物理模型,基于细观力学分析方法对热残余应力分布规律进行预测,采用ABAQUS对材料制备过程进行数值模拟,揭示了界面厚度、纤维体积分数、制备温度等参数对纤维、基体热残余应力分布的影响规律,分析了热残余应力对复合材料力学性能的影响。研究结果能够为C/SiC复合材料的设计、分析及微纳力学性能试验提供理论支持。     

Fracture behavior and self-sharpening mechanisms of polycrystalline cubic boron nitride in grinding based on cohesive element method

Unlike monocrystalline cubic boron nitride (CBN), polycrystalline CBN (PCBN) shows not only higher fracture resistance induced by tool-workpiece interaction but also better self-sharpening capability; therefore, efforts have been devoted to the study of PCBN applications in manufacturing engineering. Most of the studies, however, remain qualitative due to difficulties in experimental observations and theoretical modeling and provide limited in-depth understanding of the self-sharpening behavior/mechanism. To fill this research gap, the present study investigates the self-sharpening process of PCBN abrasives in grinding and analyzes the macro-scale fracture behavior and highly localized micro-scale crack propagation in detail. The widely employed finite element (FE) method, together with the classic Voronoi diagram and cohesive element technique, is used considering the pronounced success of FE applications in polycrystalline material modeling. Grinding trials with careful observation of the PCBN abrasive morphologies are performed to validate the proposed method. The self-sharpening details, including fracture morphology, grinding force, strain energy, and damage dissipation energy, are studied. The effects of maximum grain cut depths (MGCDs) and grinding speeds on the PCBN fracture behavior are discussed, and their optimum ranges for preferable PCBN self-sharpening performance are suggested.     

基于探针试验的预浸料黏性内聚力模型

以预浸料黏性为研究对象,通过探针试验,研究了预浸料铺放过程中预浸料与模具之间的脱粘失效行为及其随铺放工艺参数的变化规律。试验中发现铺放速率、压力和温度对预浸料黏性行为影响显著,且存在界面失效（低温）和内聚失效（高温）两种失效模式。针对这一现象,采用指数内聚力模型（CZM）表征了预浸料的黏性行为,利用该模型描述了不同铺放温度下粘结层应力快速上升、损伤扩展和最终失效的脱粘过程,定量地给出了黏性CZM参数与铺放工艺参数之间的关系。研究结果表明,预浸料粘结强度和特征位移均随铺放速率增加而近似线性减小,均随铺放压力增加而近似线性增大。随铺放温度的增加,黏性CZM参数先增大后减小,近似呈二次关系。为制定特定铺放条件下的铺放工艺规划提供参考。     

旋转帽罩表面积冰甩脱位置的数值模拟

为了更好地理解旋转帽罩表面积冰的甩脱机理和过程,采用水杯法在万能试验机上分别测得积冰/铝板界面黏附强度值和积冰内部拉伸强度值。参考试验测得的这2个数据,结合内聚力模型（CZM）和扩展有限元法（X-FEM）,在有限元软件ANSYS中分别模拟得到积冰与旋转帽罩之间的界面分离区域和冰形内部裂纹路径及其扩展过程,对旋转帽罩表面积冰甩脱的位置和体积作出预测。预测结果与帽罩表面积冰甩脱试验结果作比较,证明了CZM和X-FEM耦合的数值模拟方法可行。为实际工程应用中的热气或者电防冰系统的布置提供参考。     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

宽温域下柔性接头界面损伤及密封可靠性数值研究

界面失效是固体火箭发动机柔性接头的重要问题。为研究宽温域(-55℃～65℃)下柔性接头摆动过程中界面的损伤规律,基于ABAQUS 6.14建立了柔性接头的三维非线性有限元分析模型,并采用内聚力模型作为粘接界面的本构模型,获得了界面的损伤参数。此外,结合界面间的接触应力,提出了一种计算柔性接头密封可靠度的方法。结果表明,宽温域下粘接界面与丁异戊橡胶的力学性能随温度的升高而逐渐下降,说明柔性接头在高温段更容易发生失效;并且确认了柔性接头密封可靠度与界面损伤间成反比关系,宽温域下随着温度升高,柔性接头损伤程度先缓慢增大,-40℃后出现迅速增加,而柔性接头密封可靠度先呈线性下降趋势,20℃后下降趋势放缓,-55℃时柔性接头密封可靠度最大。     

考虑界面损伤的立式贮存药柱结构完整性研究

为了进一步结合实际分析固体火箭发动机药柱在立式贮存条件下的结构完整性，考虑推进剂/衬层界面损伤模式在复杂应力条件下具有多样性。以某型固体火箭发动机为例，与常规将衬层设置为粘接单元相比，模型在推进剂与绝热层之间设置粘接接触。对固体火箭发动机在立式贮存环境时经历固化降温、充气内压和重力载荷联合作用下有无界面损伤时的发动机进行仿真分析。结果表明:界面损伤的存在导致推进剂/绝热层界面这个薄弱环节更危险；该型固体火箭发动机药柱在充气内压增大过程中在人工脱粘层根部部位应力呈先增大后减小趋势；在充气内压达到0.085MPa之前，推进剂与绝热层之间考虑界面损伤时，推进剂在垂直于轴向的靠近人工脱粘层根部部分更容易损伤，之后则推进剂垂直于轴向的初始点更容易损伤。该结论可以为固体火箭发动机结构完整性精确仿真提供一定的指导。     

金属基复合材料界面与内聚力模型的研究进展

首先对金属基复合材料的界面物相组成和检测、结合强度等方面的研究进展进行综述，基于传统断裂力学，对现有金属基复合材料界面相进行表征的内聚力模型进行分析，探讨了内聚力本构关系及参数获取方法，并对模拟仿真在金属基复合材料界面相中的应用进行了总结，提出了未来研究的重点和方向。