基于细以方法的颗粒增强复合材料弹塑性分析

针对高体积含量的颗粒增强复合材料，提出了一种细观结构模型：将颗粒简化为同质、同尺寸的弹性圆球，两颗粒之间的连接基本简化为一弹塑性短圆柱体，并假设细观应力、应变和塑性区均为轴对称分布。其体和颗粒的变形行为分别简化为类似于弹性地基和弹性半空是，以此为基础，建立了反映一对颗粒法向和切向变形协调关系的两个积分方程。数值求解这两个方程，可得到一对颗粒间基体中细观应力的分布形式，从而建立颗粒对的细观弹塑性本构，采用平均化方法，进一步推导出材料宏观的应力－应变关系。本文利用该模型对一种金属基复合材料的拉伸实验进行了模拟，理论预测与实验结果吻合较。     

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系，将宏观复合材料体中的一点赋予了细现结构特征。基于细现结构周期性假设，建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细现位移场，通过对细现单元力学方程的分析与求解，建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细现力学模型，不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细现应力、应变场的分析，而且容易融入常规有限元法中，实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与试验结果及理论计算值具有较好的一致性。     

三维机织复合材料的细观力学分析

建立了一种三维机织复合材料的细观力学模型。模型包括两相：一相为纤维束，另一相为基体材料或横向的纤维束。该模型考虑了纤维束弯曲所引起的附加剪切。讨论了根据织造参数确定机织复合材料细观结构的方法。将上述理论用于一种实际的碳／环氧三维机织复合材料的分析，研究了细观应力分布的特点，并用平均化方法得到了材料宏观的模量，分析结果与试验数据吻合良好。     

GFRP湿致拉伸强度老化的细观力学研究

研究了湿热老化对环氧树脂基复合材料拉伸强度的影响.首先进行了玻璃纤维增强聚合物(Glass fiber re-inforced polymer,GFRP)的吸水性和湿致拉伸强度退化试验,试验结果显示该GFRP的吸湿行为符合Fick定律,其抗拉强度在湿热老化早期显著降低,然后逐渐平缓.然后,提出了单向纤维增强复合材料细观...     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

304/Q345R复合板焊接温度场和应力场的数值模拟研究

基于三维数值模拟软件Visual—weld,建立数值模拟的材料属性、热源模型、数值模型、熔池参数,对304/Q345R复合板的焊接温度场和应力场进行了数值模拟.通过X射线衍射法、盲孔法试验对数值模拟的应力值进行验证.结果表明:最大纵向残余应力值要高于最大横向残余应力值;复层最大拉应力值出现在焊接热影响区,而基层侧的最大...     

基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

陶瓷基复合材料结构不确定性传播分析

陶瓷基复合材料因其耐高温、高强度比、抗腐蚀等出色的力学性能而被广泛应用于航空航天领域中。然而，制备工艺的复杂性导致陶瓷基复合材料的本构模型中存在大量的不确定性，无法合理估计给定工况下结构的力学行为。为此，本文首先探究了陶瓷基复合材料中的材料参数对其本构模型的影响，并建立了考虑孔隙率的陶瓷基复合材料各向异性本构模型。随后，进一步提出了一种基于稀疏混沌多项式展开的不确定性传播分析方法，定量地分析材料参数及外界环境的不确定性对陶瓷基复合材料性能的影响，进而为结构的优化设计提供有效指导。最后，以陶瓷基复合材料圆柱壳模型为例，验证了本文所提方法的有效性。     

单晶再结晶临界应力与涡轮叶片结构设计参数间的映射模型

以单晶涡轮叶片发生再结晶的榫头进气窗口为研究对象,基于镍基单晶合金再结晶临界应力模型,通过单晶叶片铸造热应力场仿真计算,建立了最大残余应力与结构参数和温度的关系模型;并在此基础上,以最大铸造残余应力不大于再结晶临界应力、冷气通道面积不变和满足强度为约束条件,求出了不发生再结晶条件下的临界应力与结构设计参数和热处理温度的映射模型。最后通过对实际叶片榫头进气窗口的优化设计和试验对比分析,验证了本文方法的有效性。结果表明,优化后榫头进气窗口最大铸造残余应力下降30%以上,原有的再结晶现象消除。     

纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细现力学方法研究了纤维泊松收缩对陶瓷基复合材料迟滞回线的影响.采用库仑摩擦法则描述脱粘区界面剪应力分布,结合拉梅公式得到了界面脱粘区和粘结区的细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加、卸栽纤维轴向应力分布,假设纤维轴向应力在界面脱粘尖端连续得到了初载时界面脱粘长度ls、卸载时界面反向滑移长度y以及重新加载时界面滑移长度z',讨论了纤维泊松比、纤维体积百分数和界面摩擦系数对加卸栽界面滑移长度、迟滞回线的影响.由于考虑了纤雏泊松收缩的影响,预测的迟滞回线面积及卸载残余应变大于Pryce-Smith模型预测值.     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

考虑夹杂间相互影响的颗粒增强两相复合材料等效热膨胀系数预测

基于热-机械载荷联合作用下两相颗粒复合材料的热力学响应特性,推导得到了材料的宏观等效热膨胀系数,给出的表达式中完全考虑了夹杂之间的相互影响,因此适用于大体积分数的复合材料体系.此外,还给出了在热-机械载荷联合作用下代表性体积单元(Representative volume element,RVE)、夹杂和基体中体积均匀化应力场和应变场的具体分布形式.本文的预测结果与已有的实验数据吻合很好,说明了该模型的有效性.     

基于响应面法的低温风洞扩散段热力学模型修正

低温风洞运行过程消耗大量液氮和电力，洞体结构产生附加热应力和热变形，建立可靠的低温风洞热力学模型对研究风洞运行安全性和经济性是必不可少的。以低温风洞扩散段为方法研究对象，建立有限元热力学模型，为提高热力学模型和实际模型的相关性，使用响应面法对有限元热力学模型多个参数进行修正。通过对比分析温度、应力监测点试验数据和仿真数据的差别，确定驻室锥形体内表面对流换热系数为待修正参数；使用中心复合试验设计生成有限元热分析样本空间，以温度、应力监测点试验数据和仿真数据的残差均方和为考核指标，在样本空间内对残差均方和进行非线性回归分析，建立残差均方和的响应面模型；以所有监测点残差均方和总和为目标函数，在样本空间内进行多目标非线性优化分析，得到最优解；验证修正后的热力学模型，结果表明:（1）基于响应面法的热力学模型修正是可行的；（2）修正后的热力学模型分析数据与试验数据吻合性提高，并且适用于其它降温试验。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

复合材料胶补飞机损伤金属结构疲劳寿命分析

针对复合材料单面胶接修理飞机损伤金属结构疲劳寿命分析时,多种失效模式耦合作用、残余热应力和附加弯曲力矩以及裂纹非均匀扩展的影响,提出了一种能够综合考虑上述影响因素的复合材料修理损伤金属结构疲劳寿命评估方法。算例分析结果与试验结果吻合,表明本文方法可为复合材料单面胶接修理损伤金属结构疲劳寿命估算提供参考。     

基于剩余强度的复合材料补片形状优化研究

以复合材料层合板的圆形孔洞损伤为例,利用三维有限元模型分析了六种不同形状补片修补结构在受纵向拉伸时的应力分布情况.分别仿真了常规形状的补片以及混合型形状的补片修补情形,同时利用由剩余强度理论和局部应力应变法相结合得出的数学模型,对各种修补模型进行了剩余强度的计算.通过计算得出,带倒角矩形、两圆相交型等混合型补片对损伤母板进行修理后其强度恢复明显,应力峰值较小.混合型形状补片对复合材料贴补修理有一定的指导意义.     

基于SFEM的结构元件疲劳可靠性分析

将结构元件的弹性模量、泊松比、几何尺寸定义为随机场,并将随机场离散成随机变量,将抗拉强度定义为随机变量,采用Monte Carlo随机有限元法(MCSFEM),给出了元件危险点应力的随机分布。由危险点应力分布、材料的p-S-N曲线和Miner理论给出了概率名义应力法,计算常幅载荷下元件的寿命分布,并利用剩余寿命模型计算元件的可靠度。给出了两个算例,结果表明:计算结果与试验结果吻合良好。     

带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹尖端场分析

蒙皮分层是复合材料浆叶疲劳破坏的主要形式.本文采用非线性桨叶结构模型,推导广义二雏下带负扭转的直升机菜叶蒙皮的位移方程及应力一应变关系;在此基础上,基于Stroh理论,采用各向异性界面断裂力学分析了蒙皮存在分层裂纹时裂尖应力场和位移场的渐近解.通过数值算例分析了离心力作用下带不同负扭转桨叶蒙皮分层裂尖的振荡系数、应力场及应力强度因子,所得结果合理,表明本文方法可以为复合材料菜叶蒙皮分层破坏提供分析依据.