三维五向编织复合材料强度的有限元分析

在已有三维五向编织复合材料单胞实体模型的基础上,基于等应变假设和最大应力失效准则,采用3D有限元法建立了三维五向编织复合材料的拉伸强度有限元分析模型。利用该模型计算了试件的拉伸强度,与现有实验数据进行对比,吻合较好。数值模拟表明:三维五向编织复合材料主要的拉伸失效形式为轴纱的正应力破坏,与已有文献的观测结果一致。     

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.      

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。     

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。     

SiC/Ni复合材料的超塑性

对电沉积SiC/Ni复合材料进行了低温超塑性拉伸实验,结果发现:平均晶粒尺寸为200nm的SiC/Ni复合材料在温度430℃初始应变速率为8.33 ×10-4s-1的变形条件下,获得最大延伸率571.2%,应变速率敏感指数为0.32.利用扫描电镜对断口形貌及变形后试样的组织进行的观察表明:断裂模式主要是沿晶断裂;晶粒有不同程度的长大,晶粒的长大速率的不同形成了变形后大小晶粒的混合组织,且沿拉伸方向拉长.应力-应变关系曲线表明:应力随着应变的增大而增大,增加到峰值后开始减小,材料进入准稳定变形阶段,实现大变形.SiC的加入增加了基体组织的稳定性,有利于材料超塑性的实现.超塑变形机理为晶界滑移和位错滑移塑性.     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

改性双基推进剂断裂能下限研究

为获得改性双基推进剂断裂能下限值,使用标准哑铃型试件、紧密拉伸试件和双边切口试件进行了不同拉伸速率下的单轴拉伸实验。实验结果表明:力与位移之间的关系可以反映三种试件失效形式的不同,失效形式决定了推进剂断裂能下限的获取方法。断裂能密度随拉伸速率的增大呈现出先急速上升后缓慢上升最终趋于稳定的过程。紧密拉伸试件和双边切口试件的断裂能密度明显低于标准哑铃型试件;当拉伸速率200mm/min时,紧密拉伸试件的断裂能密度小于双边切口试件,随着拉伸速率的增大,两者的差距越来越小,可将紧密拉伸试件的断裂能密度作为改性双基推进剂断裂能下限;当拉伸速率200mm/min时,紧密拉伸试件和双边切口试件的断裂能密度几乎相等,两种试件获得的断裂能密度均可作为改性双基推进剂断裂能下限。     

三维全五向编织复合材料的切边效应

对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验,实验结果表明,沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约10%和25%;沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3%和18%;进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算,得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力-应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比,结果显示二者吻合良好。研究结果表明,三维全五向编织复合材料的编织角越大,拉伸刚度和强度会越小;试件尺寸越大,厚度方向和宽度方向切边的影响越小,并趋于定值。     

VISCO-ELASTIC (PLASTIC) EFFECTS AND FAILURE BEHAVIOR OF PUR FOAMED PLASTICS

ＶＩＳＣＯ┐ＥＬＡＳＴＩＣ（ＰＬＡＳＴＩＣ）ＥＦＦＥＣＴＳＡＮＤＦＡＩＬＵＲＥＢＥＨＡＶＩＯＲＯＦＰＵＲＦＯＡＭＥＤＰＬＡＳＴＩＣＳＬｕＺｉｘｉｎｇ（卢子兴）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｌｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ...     

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.     

玄碳混杂增强树脂基复合材料混杂比优化设计

对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强树脂基复合材料最优混杂比范围进行研究。以碳纤维与玄武岩纤维平纹织物为增强体,制备9种具有不同混杂比的混杂纤维复合材料(Hybrid Fiber Reinforced Polymer,HFRP)试样,并进行拉伸实验。依据平纹织物结构特点,计算得出平纹织物单胞性能参数,在ANSYS中,以SHELL181壳单元体建立HFRP有限元模型。该模型对试样刚度的模拟值与实验值近似。分析模型受力时的应力云图发现,存在将HFRP破坏形式分为一次破坏与二次破坏的临界混杂比。有限元模拟研究树脂含量为45%时,不同混杂比的HFRP刚度、强度和拉伸极限应变。当混杂比为60%时,可保证HFRP强度无折减的情况下,较玄武岩复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)刚度提高93.4%,较碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)拉伸极限应变提高11.3%。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

基底/功能梯度涂层结构的动态热应力分析及结构优化

研究了金属基底 /功能梯度涂层结构中的动态热应力;对功能梯度材料的梯度指数进行了优化;分析了可能的破坏模式。研究结果表明,加热速度对结构中的热应力分布有很大的影响,存在优化的梯度指数使得结构具有最大的热强度。     

开孔层压板拉伸破坏的2D渐进损伤模拟

运用渐进损伤的唯象描述方法,结合应力分析、失效判断、材料刚度退化对开孔层压板在拉伸载荷下从材料开始出现局部破坏直到整个构件失效的过程进行了基于2D有限元模型的数值模拟,模拟得到的位移栽荷曲线与文献曲线基本一致,对最终破坏载荷的预测与文献中的试验值相差-2.0%,与文献预测值相差1%,表明渐进损伤方法可以在工程上用于层压板的失效模拟和预测.     

AZ31B镁合金大应变循环变形行为研究

为了研究AZ31B镁合金在大应变幅条件下的变形机制,开展了该合金在7.嬲应变幅条件下的循环行为研究.结果表明:在拉伸阶段的最大应力值随着循环周次的增加而减小,而在压缩过程中的最大应力值随着循环周次的增加而增大,在整个循环过程中材料呈现循环应变硬化特性,拉应力是导致循环应变硬化的主要原因;随着循环周次增加,滞回曲线的不对称性基本不变.真应力-真应变滞回曲线在卸载和反向拉伸阶段出现3个拐点.在压缩过程中发生{10-12}孪生,反向拉伸过程发生去孪生行为,包申格效应对去孪生行为具有较大影响.研究表明:孪生-去孪生是大应变幅循环变形的主要变形机制;对拉伸、反向压缩过程的变形特征及机制的分析,可为低周疲劳行为的研究提供参考.     

Z-pin植入密度对复合材料壁板力学性能影响的研究

针对植入Z-pin后的碳纤维增强平纹机织复合材料的微观结构,建立了含Z-pin的机织复合材料单层板和层合板的单胞模型。预报了Z-pin直径、面内分布密对单层板的面内纵向拉伸力学性能的影响,得出了含有Z-pin的机织复合材料单胞在受面内拉伸时,会在Z-pin附近出现应力集中,单胞首先会在应力集中区域发生失效而导致强度降低。通过三维单胞模型模拟了Z-pin在层合板中拉出脱离过程,得出了不同Z-pin直径、不同分离层厚度下的拉拔力—位移曲线。建立了用非线性弹簧模拟Z-pin的双悬臂梁模型,结合VCCT裂纹扩展技术,模拟了含有Z-pin复合材料层合板的Ⅰ型裂纹扩展,得出了Z-pin直径越大,分布越密,层合板的等效Ⅰ型应变能量释放率GIC越大,且直径越大使GIC随裂纹扩展的波动幅度越大,分布越密使GIC波动的波长越小。     

Semi-analytical model for flat indentation of metal materials and its applications

The increasing use of small material components in a wide range of industrial fields necessitates the development of an accurate and robust indentation testing method. To this end, this paper proposes an Energy-density-equivalence for a Flat Indentation (E-FI) model based on the energy density equivalent principle. The proposed model describes the relationships among the material parameters of Hollomon’s power law (H-law), flat indenter diameter, energy, and indentation displacement. An E-FI Method (E-FIM) that determines the H-law parameters of materials through the indentation test is also developed. The energy-displacement curves forward-predicted by the E-FI model (based on known H-law parameters of materials) and the H-law parameters of materials given by the E-FIM (based on known energy-displacement curves) are consistent with the results of Finite Element Analysis (FEA) and the H-law parameters of materials used as the input for FEA, respectively. Using E-FIM, the goodness of fit for both stress–strain curves with H-law, predicted based on the displacement with 2% signal interference, and that for stress–strain curves without interference is more than 0.98. The stress–strain relations predicted by E-FIM were consistent with the results obtained via uniaxial tensile tests of ten ductile materials.     

Theoretical model and testing method for ball indentation based on the proportional superposition of energy in pure elasticity and pure plasticity

For a homogeneous, continuous, and isotropic material whose constitutive relationships meets with the Ramberg-Osgood law(R-O law), the energy in the elastoplastic indentation with a ball indenter was theoretically analyzed, and the proportional superposition of energy in pure elasticity and pure plasticity during indentation was considered based on the equivalence of energy density. Subsequently, a Proportional Superposition-based Elasto Plastic Model(PS-EPM) was developed to describe the relati...