针刺陶瓷基复合材料损伤本构模型及构件应力分析

基于连续介质损伤力学方法提出了适用于针刺陶瓷基复合材料的各向异性损伤本构模型.该模型考虑了拉伸与剪切损伤的影响.通过试验得到了材料的拉伸和剪切的应力-应变曲线,采用曲线拟合获得了本构模型的参数.应用用户子程序技术将本构模型写入商用有限元软件,计算所得拉伸和剪切的应力-应变曲线与试验曲线比较吻合,最大误差分别为5.62%和1.47%.使用该损伤本构模型及弹性模型计算了航空发动机尾喷管调节片在气动和温度载荷下的力学响应,两者计算所得应力分布相似,但损伤本构模型计算值明显小于弹性模型计算值.      

SMA复合材料低速冲击数值模拟方法

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)独特的超弹性效应,提出一种利用形状记忆合金提高复合材料结构抗低速冲击性能的方法.基于形状记忆合金的分段化线性简化模型,利用ABAQUS有限元软件提供的VUMAT子程序编制了SMA合金超弹性本构关系并将其引入到复合材料层板低速冲击模型,提出了含SMA复合材料低速冲击数值模拟方法.研究形状记忆合金利用迟滞阻尼特性吸收部分形变能量并加以释放的过程,探讨SMA纤维对复合材料层板抗冲击性能的增强规律.结果表明,随着SMA体积分数的提高,复合材料层板的冲击应力峰值和挠度会下降,但在低SMA体积分数(<10%)情况下,对挠度的改善作用不明显;同时随着SMA体积分数增加,单位体积SMA的冲击能量吸收率会降低,在SMA体积分数为5%~10%时,SMA纤维具有最高的能量吸收率.得出了SMA纤维具有改善复合材料抗冲击性能的作用的结论.      

形状记忆合金薄板低速冲击载荷下热力耦合行为分析

进行形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)薄板不同冲击能量条件下低速冲击实验,以SMA 热力学本构模型为理论基础,通过数值手段对超弹性SMA 薄板的冲击响应进行仿真分析,探究冲击载荷作用下SMA 热力耦合行为特征。结果表明:数值仿真结果与实验数据吻合良好,有效表征了SMA 薄板冲击过程中的变形、相变、耗散、温变等热力耦合行为特征。     

TiC 颗粒增强钛基复合材料的动态损伤本构

分析了TiC颗粒增强钛基复合材料的微损伤演化规律,建立了含损伤演化的动态本构模型。TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下,微裂纹以翼型裂纹形式扩展,基于平面翼型裂纹扩展模型,建立了二维动态损伤本构关系,并退化到一维拉伸状态,假设微裂纹成核规律满足Weibull分布,得到了一维拉伸应力状态下能够反映TiC颗粒增强钛基复合材料的损伤演化规律的宏细观相结合的动态本构关系。模型计算结果与试验结果吻合较好。     

形状记忆合金变刚度结构振动控制仿真研究

为了实现Ti50Ni41Cu9形状记忆合金(SMA)用于复杂结构振动控制的动力学分析,掌握变刚度振动控制的机理和控制规律,基于Kelvin-Voigt粘弹性本构关系,建立了适用于动力学分析的SMA本构模型,并通过ABAQUS编写材料本构程序,形成有效的SMA结构动力学有限元仿真方法,实现了多参数影响下SMA结构的非线性稳态和瞬态动力学仿真计算。计算结果表明:SMA的宏观本构模型能够较好地反映材料动力学性能的变化特征,编制的UMAT子程序与试验数据吻合较好;变刚度控制可以有效降低定频激励引起的稳态响应,对于悬臂板结构响应降幅在40%以上;控制速率与响应的最终变化程度无关,但会引起系统非线性特征,从而影响控制过程需要的时间;采用对向变刚度控制可以降低跨越主频的瞬态振动响应,变温速率越快,系统的峰值响应越小,快速变温时会产生自发频带现象,其对主频能量有显著分散作用,可以一定程度上抑制最大响应峰值。     

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

SiC_p/Al材料力学行为研究的进展

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)在材料科学和力学领域被关注,也是航天航空、汽车、电子仪表等领域关注较多的潜力材料。本文主要介绍SiCp/Al的增强机理和破坏机制,结合数值计算方法的进展从增强机理、破坏机理、建模方法和本构模型几个方面综述力学研究的若干进展。     

形状记忆合金驱动器动态驱动性能研究

对Ni Ti形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)在准静态和动态加热工况下回复应力的变化规律进行了研究,提出了准静态工况下的本构模型迭代算法,该算法可以较好地吻合试验数据。同时阐述了SMA丝作为驱动器时,传统本构模型在动态加热工况下的局限性,并提出了一种简洁高效的平均速率插值算法。该算法能较好计算动态加热工况下SMA丝驱动回复应力,与试验结果相比较,相对误差小于10%。     

单向陶瓷基复合材料任意应力本构行为快速计算方法

为了实现快速预测陶瓷基复合材料(CMCs)任意应力加卸载作用后的损伤状态和本构行为,对CMCs任意应力加卸载力学行为进行研究。提出了任意应力加卸载曲线简化方法,得到仅包含决定CMCs损伤状态的等效载荷曲线。基于剪滞模型,直接给出CMCs在等效载荷曲线作用后的滑移区分布,避免对载荷曲线的逐点计算。进而预测了材料的损伤状态和应力应变行为。将原始加卸载曲线带入剪滞模型,计算CMCs滑移区分布和应力应变,并与本文提出的方法进行比较,结果表明,两种计算方法计算的结果一致,说明了本文提出的载荷曲线简化方法和滑移区分布计算方法是可行的。     

Large Amplitude Flexural Vibration of the Orthotropic Composite Plate Embedded with Shape Memory Alloy Fibers

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率,建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程,基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论,建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有3次非线性项的Duffing型常微分方程,采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明,非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征,马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著,同时也讨论了SMA纤维含量、板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。     

Modeling bending behavior of shape memory alloy wire-reinforced composites: Semi-analytical model and finite element analysis

In this study, we propose a novel and simple exact semi-analytical model for superelastic Shape Memory Alloy (SMA) wire reinforced composites subjected to bending loads. In order to study the mechanical response of the composite during loading/unloading, a Representative Volume Element (RVE) is extracted to examine the bending response of the composite. Analytical moment–curvature, and shear force-shear strain relations are derived based on a 3-Dimensional (3D) thermomechanical SMA model and Timoshenko beam theory. The composite Simpson’s rule is adopted to numerically solve the exact analytical moment–curvature and shear force-shear strain relationships. Results including the moment–curvature response, axial stress distribution along the vertical and longitudinal directions, martensite volume fraction, and the tip deflection are reported and validated against 3D finite element simulations. The influence of temperature, martensite volume fraction distribution, and matrix stiffness on the mechanical performance of the composite is also investigated. In particular, the composite is found to behave superelastically under certain conditions of temperature, SMA volume fraction, and elastic stiffness of the matrix. Such behavior is advantageous in applications requiring large recoverable strains or high energy dissipation density.     

纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,建立了基底 /涂层 /纤维三层力学模型。该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系 ,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。算例分析表明 :涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。在涂层上 ,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。涂层的弹性模量不同 ,对材料的横向应力影响最大     

航空用粉末冶金颗粒增强铝基复合材料研制及应用

简要分析了颗粒增强铝基复合材料的性能优势,阐述了铝基复合材料基体与增强体组元匹配性设计准则,评述了国内外粉末冶金工艺制备的颗粒增强铝基复合材料组织与性能特点。此外,较为详尽地总结了国内外先进颗粒增强铝基复合材料坯锭与构件的工程化制备技术以及复合材料无损检测的研究现状。最后还列举、分析和展望了颗粒增强铝基复合材料在航空领域的应用方向。     

颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展

简要分析了颗粒增强铝基复合材料的性能优势,综述了国外颗粒增强铝基复合材料的制备技术、性能水平、工程化应用技术以及应用发展现状,总结了国内工程化应用研究现状,提出了铝基复合材料在航空航天领域的应用发展方向.     

聚酰亚胺复合材料研究进展

综述了国内外聚酰亚胺树脂基复合材料的研究现状和在航空航天等领域的应用现状,简要介绍了国内在改进聚酰亚胺基复合材料流变性能、提高耐热性和力学性能以及聚酰亚胺蜂窝夹层结构和石英增强聚酰亚胺复合材料等方面所取得的研究进展,并展望了该技术的发展方向和研究重点.     

CF/PEEK超声原位固结铺放及其复合材料力学性能

热塑性复合材料自动铺放（ATP）原位固结成型是未来航空复合材料结构件的发展趋势,缩小其制件与热压制件性能的差距具有工程实践意义。基于超声原位固结成型工艺,制备碳纤维增强聚醚醚酮树脂基复合材料（CF/PEEK）层合板,并与铺放后热压和直接平板热压试样比较力学性能差异,为热塑性复合材料的自动铺放提供参考。结果表明,超声热源能够满足CF/PEEK铺放的能量要求,功率的增加和铺放速度的降低有利于铺层结合;与平板热压试样相比,铺放成型试样的孔隙率高,纤维存在部分损伤;在节省了平板热压后固化周期的情况下,超声铺放单向层合板试样拉伸强度、拉伸模量和层间剪切强度分别为1.32、113.8 GPa和39.2 MPa,达到了直接热压试样的80.4%、84.8%和65.1%,在经过热压后固化后,分别提高到直接热压的92.1%、92.6%和82.5%。超声原位固结成型试样的简支梁摆锤冲击失效形式为分层,其经过热压后,孔隙率下降,铺层结合强度提高,试样的冲击失效形式为断裂,与直接热压的相同。     

C/C—SiC复合材料的制备与性能

采用化学气相渗透（CVI）法和液相浸渍有机物先驱体混合工艺制备了C／C－SiC复合材料，并对复合材料力学性能、抗烧蚀性能和抗氧化性能进行表征。结果表明：制备的C／C－SiC复合材料在基本保证C／C复合材料力学性能的基础上，抗氧化和抗烧蚀性能得以大幅度提高，提出了制备兼具C／C复合材料与陶瓷材料的技术途径。     

颗粒增强钛基复合材料的制备与性能

综述了颗粒增强钛基复合材料的制备方法,比较了它们与钛合金的机械性能,说明了研究颗粒增强钛基复合材料的重要价值。     

混杂难熔金属C/C复合材料中金属与碳反应初步研究

研究了碳纤维难熔金属纤维混杂增强碳基体复合材料中难熔金属与碳之间的化学反应.结果表明,条件不同,难熔金属W丝、Ta丝与不同形式碳的反应程度、反应产物及结构有很大的区别.低温区,难熔金属与碳不发生明显化学反应,中温区W丝可与气态的碳氢气体发生轻微化学反应,高温区W丝、Ta丝可与固态沥青碳以及碳纤维发生反应.通过控制反应条件,可以得到难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体、含难熔金属碳化物的难熔金属纤维碳纤维混杂增强碳基体和难熔金属碳化物纤维碳纤维混杂增强碳基体复合材料.     

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%.