温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

陶瓷基复合材料力学性能计算及涡轮导叶宏观响应分析方法

针对涡轮导叶宏观热力学响应,将化学气相沉积工艺2D编织SiCf /SiC陶瓷基复合材料完成拉伸试验并将该试件进行分 割,对分割后的试样进行断面电镜扫描,测量统计细观编织结构参数,建立考虑缺陷位置和形状的代表性体积单元模型。采用细 观有限元方法,应用该模型计算得到SiCf /SiC陶瓷基复合材料的宏观弹性常数。结果表明：面内拉伸模量预测值比试验值低 4.4%,剪切模量预测值比试验值高7.8%。结合陶瓷基复合材料涡轮导叶的加工工艺,建立了材料分布映射模型,对导叶典型特征 结构件在给定热载荷下的宏观响应进行预测。结果表明：涡轮导叶典型结构加热段尾缘第1主应变预测值比试验值低5.5%。     

含孔隙的2.5D编织陶瓷基复合材料弹性常数预测

为获取更为全面的编织陶瓷基复合材料弹性常数,支撑材料力学性能研究,提出考虑纤维性能退化和基体孔隙的编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法。围绕25D编织陶瓷基复合材料,通过微焦点断层扫描获取材料孔隙率和孔隙分布,并测量碳化硅纤维单丝经热处理后的高温强度和模量。再结合细观力学有限元法理论,通过Digimat建立含孔隙的25D陶瓷基复合材料代表体单元有限元模型,计算得到材料弹性常数。同时对元件级试验件进行了室温单向拉伸和面内剪切试验,弹性常数计算值和试验值吻合较好,验证了该方法可以用来预测含孔隙的25D编织陶瓷基复合材料的弹性常数,为其力学性能与失效机理分析建立基础。     

弯曲纤维对SiO2f/SiO2复合材料拉伸强度的影响

以SiO_(2f)织物作为增强相,采用循环浸渍固化工艺,制备了SiO_(2f)/SiO_2复合材料。在制备过程中,通过对SiO_(2f)织物进行模压处理,使SiO_(2f)呈现出不同程度的弯曲,测定了纤维弯曲后复合材料的拉伸强度,研究了纤维弯曲时复合材料的断裂过程。结果表明:弯曲纤维将导致复合材料的拉伸强度下降,最低拉伸强度仅为5.5 MPa,纤维弯曲时复合材料的断裂过程为逐层断裂,断裂应变增加,最大断裂应变达到1.19%。     

考虑孔隙的针刺C/SiC复合材料弹性参数计算

基于针刺陶瓷基复合材料试件(CMCs)光学显微照片的微观型貌,并选择恰当的代表体积单元(RVE),建立了针刺陶瓷基复合材料弹性性能预测的单胞模型.考虑了孔隙率对基体和纤维束弹性性能的影响,采用混合率计算出纤维束的弹性常数,然后将纤维束和基体的弹性参数代入到单胞模型中,通过有限元法计算得到复合材料的整体弹性常数.开展了材料拉伸试验和孔隙率测定试验,测得材料的开孔孔隙率为7.33%,闭孔孔隙率为10.67%,弹性性能的计算结果与试验吻合较好,误差为3.1%.      

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

颗粒填充复合材料的应变统计特征与刚度模量

针对填充颗粒体积份数高、随机分布的复合材料,基于一种特定应变分解方式,利用有限元数值分析,研究了任意宏观变形条件下代表性体积单元内应变分布的统计规律,分别得到了颗粒与基体内应变的平均值、应变的涨落值与宏观应变之间的统计关系,并对颗粒填充复合材料的等效剪切模量和等效体积模量进行了预测。     

纺织复合材料细观力学分析的一般性周期性边界条件及其有限元实现

针对纺织复合材料细观有限元分析中单胞网格的快速生成与顺利施加周期性边界条件之间的矛盾,提出了非周期性网格划分条件下,一般性周期性边界条件的数学表达形式.基于ABAQUS有限元软件平台,通过在单胞模型的相对面、相对边及相对角点施加多点约束(MPC)方程,实现了一般性周期性边界条件的施加.结合三维四向编织复合材料单胞模型,对比分析了周期性网格划分和非周期性网格划分情况下,单胞模型受载下的变形状态、应力分布及弹性性能的预测结果,验证了一般性周期性边界条件的正确性和有效性.研究表明:一般性周期性边界条件可以实现复杂细观结构单胞模型的自由网格划分,降低网格划分的难度,提高网格生成的质量.     

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。     

三维机织复合材料的一个细观力学模型

根据三维机织复合材料中细观几何和变形的周期性,提出了一种反映细观周期约束条件的组合梁单元模型,该模型既考虑了纤维束的偏轴拉压效应,又考虑了纤维束的弯／剪耦合效应和纤维束之间的相互作用,可以描述纤维束和基体中的细观应力分布。针对一种典型的三维机织复合材料,研究了根据编织参数确定材料细观结构的方法,在此基础上选取材料中最小周期的一段纤维束作为分析胞元,用上述模型分析了面内拉伸荷载下胞元中各相材料的细观应力,进而得到材料平均的宏观模量。材料试验和二维细观有限元分析证明了本模型的可靠性。研究表明,三维机织复合材料中,纤维束拉、弯耦合效应引起的细观应力在应力分析中不可忽略。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料有效弹性模量预测

为了分析碳化硅颗粒增强铝基复合材料细观结构对其宏观力学性能的影响,针对无压渗透法制备的A356/SiCp复合材 料建立了表征其细观结构的2维代表性体积单元有限元模型,以建立复合材料宏观性能与细观结构之间的依赖关系。在周期性 边界条件和模拟单轴拉伸边界条件下研究了颗粒的形状（圆形、椭圆形）和体积分数（10%、15%、20%）对其有效弹性模量的影响, 并与无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料试验值进行比较。结果表明：在2种条件下的预测结果相差不大,预测误差均不超过 5%;碳化硅颗粒体积分数对复合材料的力学性能影响显著,对颗粒形状的影响很小,在相同边界条件及体积分数下,圆形和椭圆 形颗粒的预测值相差不超过0.4%。     

基于一种新的均匀化实施方法的FRP刚度预测

基于一种新的渐近均匀化(AH)实施方法,预测并讨论了单向纤维增强复合材料(FRP)的宏观等效弹性性能及纤维排列方式对等效力学性能的影响。该方法方便地将有限元分析(FEA)软件作为一个工具箱使用,只需在单胞上施加简单位移周期边界条件开展静力学分析,即可经过简单计算得到等效弹性常数,相比传统均匀化实施方法显著降低了实施难度并简化了计算过程。通过对比不同数值方法的结果验证了该方法的有效性和精确性。数值结果表明:六边形排列下单向纤维增强复合材料呈现横观各向同性,而正方形排列下则呈现宏观正交各向异性,经过刚度平均化过程可得到横观各向异性材料性质,纤维体积含量对两种排列方式下材料等效弹性模量影响显著但有所差别。     

间隙率对平纹及三轴向织物复合材料弹性性能的影响

采用有限元分析方法研究了间隙率对平纹及三轴向复合材料叠层弹性性能的影响.首先,根据平纹织物复合材料几何构型和基本参数,建立了平纹织物复合材料的面密度和单胞边长与间隙率之间的关系;然后,建立了平纹织物复合材料的拉伸、压缩和剪切有限元模型,利用该模型分析了间隙率对其弹性性能的影响;最后,分析了间隙率对平纹织物复合材料与三轴向织物复合材料叠层弹性性能的影响.研究发现,平纹织物复合材料的比拉伸模量和比压缩模量随其间隙率的增加而略微增加,比剪切模量随其间隙率的增加减小,平纹织物复合材料与三轴向织物复合材料叠层的等效模量极曲线平纹织物复合材料的间隙率的增加而极性减弱.     

C/SiC-SiO_(2)复合材料的制备及性能研究北大核心CSCD

采用溶胶凝胶和前驱体浸渍裂解混合工艺,制得了不同SiO_(2)/SiC比例的C/SiC-SiO_(2)复合材料,研究了SiO_(2)添加量对复合材料微观结构、力学性能的影响。结果表明:当添加SiO_(2)的质量分数约25%时,材料的拉伸强度和压缩强度与C/SiC材料性能相当;而当添加SiO_(2)的质量分数超过25%时,材料的强度与模量均随SiO_(2)含量的增加呈降低趋势。此外,SiO_(2)含量约25%的C/SiC-SiO_(2)复合材料的浸渍相成本较C/SiC材料降低约24%左右,这为C/SiC复合材料的快速低成本制备提供了新的技术支撑。     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

二维机织C/SiC复合材料非线性力学行为数值模拟

建立了考虑纤维束内部缺陷以及外部基体缺陷的多尺度单胞模型。首先依据电镜扫描图和材料内部单胞的密度,确定了纤维束单胞和复合材料单胞的几何尺寸;然后引入周期性边界条件,利用含缺陷的纤维束单胞模型计算了其初始模量和强度;最后使用由电镜扫描图确定尺寸的复合材料单胞模型,利用上一尺度的材料参数,对复合材料的模量进行了预测;并建立了含损伤纤维束单胞的刚度矩阵,运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤,通过数值结果与试验结果的对比,分析了Hashin准则作为判定纤维束起始损伤的适用性,并最终据此给出了单轴载荷作用下受损材料参数的变化情况。分析表明:基于考虑两种缺陷的多尺度模型,使用Hashin准则对C/Si C复合材料单胞进行非线性应力-应变行为数值预报与实验吻合良好。     

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。