细观周期性结构复合材料热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法及有限单元法实现

针对周期性结构复合材料,根据稳态热固耦合平衡方程,将弹性矩阵和导热系数矩阵进行合并,将位移和温度作为空间场量同时进行小参数渐进展开,利用摄动理论和均匀化理论,推导并建立了周期性结构复合材料稳态热固耦合双尺度渐进均匀化分析方法。将复合材料力学分析从单一物理场推广到热固耦合场,为实现复合材料构件的热固耦合多尺度力学分析建立了基础。根据建立的偏微分方程式,利用变分原理推导得到其有限单元形式,用VC++6.0开发了热固耦合双尺度渐进均匀化分析程序。为验证该方法预测复合材料宏观等效性能的准确性,对纤维体积含量从20%到80%的单向纤维增强复合材料宏观等效参数进行了计算。当纤维体积含量低于65%时,得到的计算值与实验值吻合良好。更加真实地还原复合材料细观结构模型,计算精度将进一步提高。     

复合材料壳体结构损伤演化多尺度表征与强度智能预测进展

随着计算机算力的发展和数值模拟技术的日趋成熟,以跨宏细观参数传递为主的复合材料多尺度表征计算应运而生,得到了世界各国学者和研究人员的关注。本文基于纤维缠绕复合材料壳体结构损伤演化研究,详述了在单向纤维增强复合材料宏观工程弹性常数预测、纤维随机分布代表性体积元高效建模、纤维增强复合材料损伤演化多尺度表征与强度预测、机器学习在纤维增强复合材料领域应用方面的进展。最后,对未来发展趋势进行了预测。     

纤维增强复合材料力学性能预测及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料结构力学性能预测问题,基于复合材料细观力学有限元方法,研究建立了代表体积元(RVE)模型,并施加周期性边界条件,实现了纤维增强复合材料基本力学性能的预测。通过将应用上述RVE模型所获取的B/Al纤维增强复合材料力学性能预测结果与解析解和试验数据进行对比表明,施加周期性边界条件的RVE模型的力学性能预测结果与解析解和试验数据吻合良好,验证了所建立计算模型的有效性。基于单向连续纤维增强SiC/TC4复合材料板材的力学性能测试试验,获取了不同铺层方案结构的纵向/横向弹性模量和泊松比,得到的纵向/横向弹性模量计算值与各自试验值均值的误差均小于5%,表明弹性力学性能参数基本一致,计算模型具有合理性。      

纤维增强陶瓷复合材料中桥接裂纹问题的等效杂质模型分析

1.引言 纤维增强陶瓷复合材料承受沿纤维方向单向拉伸载荷时,基体出现纤维桥接(bridging)裂纹现象。本文将用微观力学方法来研究这种桥接裂纹问题,改进和应用有关的杂质理论,取各向异性复合材料模型,考虑裂纹内桥接纤维离散分布建立某种等效杂质模型进行分析,通过Griffith能量准则还可推导基体开裂强度     

小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型

 采用离散化方法，基于等应变及等应力混合平均思想，结合桥联模型，建立了四步法小编织角三维四向矩形编织复合材料的拉伸强度模型。该模型不仅可以获得材料的等效弹性性能，而且能直接得到各组分材料（纤维束中纤维和基体、纤维束外基体）的细观应力分布，并基于纤维和基体失效准则，揭示了材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理并预报了材料拉伸强度。数值分析结果与实验数据基本吻合，证明了该模型的有效性，经讨论材料主要工艺参数对拉伸强度和应力分布的影响，得到了一些有参考价值的结论。     

含孔复合材料层合板孔边应力集中的近似计算

针对含圆孔有限大复合材料层板的应力集中间题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中系数的方法:先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含圆孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况.根据所推导的含孔有限宽度复合材料层合板应力集中系数的表达式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响.     

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。     

SiC/TC4复合材料横向拉伸应力集中系数的表征及试验验证

针对纤维均匀排布的单向纤维增强复合材料在横向拉伸荷载下基体产生应力集中的问题,提出了横向拉伸荷载下基体应力集中系数的表征方法。基于复合材料细观力学理论,通过编写程序在代表体积元(Representative Volume Element, RVE)模型上施加周期性边界条件,实现了单、双轴横向拉伸荷载下基体应力集中系数的计算,并通过单向纤维增强SiC/TC4复合材料板的横向拉伸试验验证了所建模型的有效性。利用所建模型计算不同纤维体积分数、材料组分以及温度条件下基体应力集中系数并分析其影响规律。计算结果表明:单轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加而增大,双轴横向拉伸应力集中系数随着纤维体积分数的增加呈现出先减小后增大的趋势;在20℃～500℃区间内,单轴横向拉伸应力集中系数最大可达2.8,双轴横向拉伸应力集中系数最大达2.4。     

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%.      

平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料的等效弹性模量预测

 针对平纹机织多元多层碳化硅陶瓷基复合材料,按照“从底向上”的顺序考虑了纤维丝/界面/基体尺度以及纤维束/基体/涂层尺度下的微结构有限元模型。采用能量法依次进行了两个尺度上的等效性能计算,首先在纤维丝/界面/基体的尺度上计算了纤维束的等效弹性参数,然后将这些参数代入到纤维束/基体/涂层尺度微结构模型中,计算得到复合材料的整体弹性常数。数值计算结果与实验结果吻合较好,验证了所提计算方法以及模型的有效性。     

Φ10 mm 碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究

对外径为Φ10 mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能进行了研究。结果表明,采用热缩工艺成型的碳纤维复合材料管工艺简单、质量可靠,Φ10 mm碳纤维复合材料管件弯曲刚度与不锈钢管相当,弯曲强度为不锈钢的3倍以上,质量仅为不锈钢的50%,尺寸精度满足设计要求。     

基于频响函数的复合材料空间分布模量场识别

针对纤维编织复合材料宏观力学性能的非均匀特性,提出了基于频响函数(FRF)的复合材料梁空间分布弹性模量场的识别方法。采用基于灵敏度分析的方法构造优化问题,以实测和计算加速度频响残差范数最小为目标函数,进而通过迭代求解识别出复合材料梁弹性模量的空间分布。首先,以悬臂梁模型为研究对象进行数值仿真分析,验证识别方法的正确性。进一步开展复合材料梁模态试验研究,将复合材料三点弯曲试验获取的近似均质化弹性模量作为优化问题的初值;利用非接触测量方法获取模态试验中梁上各测点处的动位移响应,并计算得到各测点的加速度频响函数作为优化问题的输入值。结果表明:采用所提出的识别方法获取的模量场计算得到的梁上各处频响函数与试验获取值吻合,且所提方法在实测动响应存在噪声污染工况下是可行的。该方法能够为复合材料等效建模提供更加准确的弹性模量场。     

多相多孔材料/结构的集成优化设计

采用均匀化方法,以宏观结构柔顺度为优化目标,开展了多相多孔材料/结构的集成优化设计。借鉴仿生思想,提出两尺度材料/结构构成模型,归纳出微结构精细设计的选择判据。结合伪密度法和周长控制消除了多相材料分布的棋盘格。采用分层优化方法并结合算例研究了实体材料模量相对比值、材料组分变化对优化结果的影响。计算结果说明所提出的结构构成模型能有效地应用于多相多孔材料/结构的优化设计,为新型多功能材料/结构的设计拓宽了思路。     

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

A method of determining effective elastic properties of honeycomb cores based on equal strain energy

A computational homogenization technique (CHT) based on the finite element method (FEM) is discussed to predict the effective elastic properties of honeycomb structures. The need of periodic boundary conditions (BCs) is revealed through the analysis for in-plane and out-of-plane shear moduli of models with different cell numbers. After applying periodic BCs on the represen-tative volume element (RVE), comparison between the volume-average stress method and the boundary stress method is performed, and a new method based on the equality of strain energy to obtain all non-zero components of the stiffness tensor is proposed. Results of finite element (FE) analysis show that the volume-average stress and the boundary stress keep a consistency over different cell geometries and forms. The strain energy method obtains values that differ from those of the volume-average method for non-diagonal terms in the stiffness matrix. Analysis has been done on numerical results for thin-wall honeycombs and different geometries of angles between oblique and vertical walls. The inaccuracy of the volume-average method in terms of the strain energy is shown by numerical benchmarks.     

Topology optimization of compliant adaptive wing leading edge with composite materials

An approach for designing the compliant adaptive wing leading edge with composite material is proposed based on the topology optimization. Firstly, an equivalent constitutive relationship of laminated glass fiber reinforced epoxy composite plates has been built based on the symmetric laminated plate theory. Then, an optimization objective function of compliant adaptive wing leading edge was used to minimize the least square error（LSE） between deformed curve and desired aerodynamics shape. After that, the topology structures of wing leading edge of different glass fiber ply-orientations were obtained by using the solid isotropic material with penalization（SIMP） model and sensitivity filtering technique. The desired aerodynamics shape of compliant adaptive wing leading edge was obtained based on the proposed approach. The topology structures of wing leading edge depend on the glass fiber ply-orientation. Finally, the corresponding morphing experiment of compliant wing leading edge with composite materials was implemented, which verified the morphing capability of topology structure and illustrated the feasibility for designing compliant wing leading edge. The present paper lays the basis of ply-orientation optimization for compliant adaptive wing leading edge in unmanned aerial vehicle（UAV） field.     

碳纳米管-碳纤维多尺度增强体研究进展

连续碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域是一种关键的结构材料,将性能优异的纳米材料引入复合材料中将有可能提高材料的机械性能.文章介绍了化学气相沉积、化学接枝、电泳沉积等技术在制备碳纳米管-碳纤维多尺度增强体方面的研究进展,并阐述了碳纳米管的引入对复合材料界面性能的影响,提出电泳沉积作为一种经济、有效的技术而具有规模化生产的工业潜力.     

CFRP钻削温度场的数值仿真与分析

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削过程传热规律及温度分布特性,在对材料热物理特性均匀化处理的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立单向CFRP钻削温度场数值仿真模型,探究钻削过程中热量传递及温度场分布规律.结果表明,出口处温度场呈椭圆形分布状态,椭圆形最小值离心率e为0.771,且椭圆的长轴...     

晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计

讨论了增强体体积比、长径比、基体与增强体的模量比以及增强体取向分布、基体的热处理状态对复合材料刚度模量的影响 ,建立了晶须增强金属基复合材料微结构参数与宏观力学性能间的定量关系 ,探索了晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计方法 ,给出了该材料微结构参数优化设计的典型算例