正交铺设陶瓷基复合材料基体裂纹演化研究(英文)

采用能量平衡法对正交铺设陶瓷基复合材料在单轴拉伸载荷作用下的基体裂纹演化进行了研究。在拉伸载荷的作用下,正交铺设陶瓷基复合材料有5种开裂模式。开裂模式3包括横向开裂、基体开裂和纤维/基体界面脱粘;开裂模式5只包括基体开裂和纤维/基体界面脱粘。本文得到了两条横向裂纹之间出现开裂模式3和5的初始基体开裂应力;并得到了开裂模式3多裂纹演化的初始基体开裂应力。讨论了铺层厚度、纤维体积含量、纤维/基体界面剪应力和界面脱粘能对基体开裂应力和基体裂纹演化的影响。结果表明,对于SiC/CAS材料而言,两条横向裂纹之间首先出现开裂模式3。     

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.     

纤维失效对陶瓷基复合材料准静态加卸载迟滞回线的影响(英文)

采用双参数威布尔模型描述纤维强度分布,结合总体载荷承担准则确定基体裂纹平面处断裂纤维和完好纤维承担载荷。基于卸载/重新加载时纤维相对基体滑移损伤机理,确定了纤维轴向应力分布。采用断裂力学方法确定了界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度和重新加载新界面滑移长度,对比了不同峰值应力下考虑和未考虑纤维失效影响的迟滞回线,分析了纤维特征强度和纤维威布尔模量对纤维失效、迟滞回线形状和面积的影响,预测的迟滞回线与试验数据相吻合。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

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。     

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。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

三维编织复合材料力学性能分析与预估

本文用细观力学的方法对四步法１：１编织复合材料的力学性能进行了详细研究,导出了它的宏观平均力学性能与编织结构参数、基体和纤维性能的关系,并进行了实验验证,可以用它预估编织复合材料的宏观平均力学性能,作为编织复合材料结构分析的依据。     

国产碳纤维增强树脂基复合材料阻尼性能实验研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对结构的减振能力具有重要影响。复合材料的阻尼机理与均质的各向同性材料有很大不同。利用瞬态冲击振动梁法得到了不同树脂基体、不同纤维铺层角国产碳纤维增强复合材料的动态特性数据,并提取了模态频率与模态损耗因子,研究了树脂基体材料和纤维铺层角对复合材料动力学性能的影响规律,同时研究了材料的阻尼性能随着振动频率的变化规律。实验结果表明,603基体的复合材料比605基体及606基体的复合材料具有更高的模态损耗因子;同样的基体,增大铺层角,结构柔度增大,损耗因子也增大;随着振动频率变化,在某一频率下,模态损耗因子出现了峰值。     

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

复合材料层合板冲击及冲击后疲劳寿命预测方法(英文)

现有含冲击损伤复合材料层合板的寿命预测方法是建立在冲击后复合材料层合板的疲劳性能基础之上的,导致模型和方法不具有通用性。因此,针对含冲击损伤的复合材料层合板,基于逐渐累积损伤理论和无损单向板的疲劳特性,建立一种具有普遍适用性的三维逐渐累积损伤的疲劳寿命预测方法。该方法可对不同铺层参数、不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为了在缺少冲击试验时也能实现受到冲击载荷后层合板的疲劳寿命预测,对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析,将预测得到的冲击损伤状态用于分析冲击后的疲劳寿命。同时基于全程分析的方法,开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序。与试验对比,最大误差为7.78%。     

Debonding Patch Detection in FRP-Strengthened Materials with Fiber-Optic Interferometer

The interfacial debonding in fiber-reinforced plastic(FRP)strengthened repair material will affect the bonding strength and lead to failure of the repair without warning.Unfortunately the interfacial damage is normally invisible and often in the form of a patch rather than a through-width crack.Therefore,a debonding patch detection technique based on fiber optic interferometry is proposed.A quasi-impulse loading is applied with a rubberhead hammer and the total elongation of a surface-mounted optical fiber along the length of the repair material is measured as a function of load position.When a debonding patch is present,the induced sudden slope or sign change on the plot of fiber integral strain v.s.load position will reveal the extent and the location of the debonded area.The results of the study indicate that the proposed technique is applicable for debonding patch detection in repaired members under various support conditions.     

编入碳纤维编织复合材料的光纤光学性能实验研究

三维编织复合材料是当前先进复合材料领域研究的热点并已开始广泛应用于航空航天等许多领域.三维编织复合材料具有很多优点,但这种材料的性能也较复杂.文中提出一种研究三维编织复合材料性能的新方法,也即将光纤传感器多个编入编织复合材料实现编织智能复合材料,以监测三维编织复合材料的RTM工艺过程,研究其力学性能及监测其在使用过程中的健康状况.对于光纤传感器而言,光纤的光学性能的好坏同光纤传感器的性能密切相关,因此,着重通过实验提出了一种光纤编入三维编织复合材料的方法并对光纤编入材料前后及编入后随材料进行RTM固化前后的光学性能进行了测试对比研究.     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。