纤维增强复合材料有效性能分散性

利用改进算法的宏-细观统一通用单胞本构模型,采用Monte-Carlo方法研究了不同纤维形状、不同纤维排列方式以及纤维体积含量对纤维增强复合材料弹性模量、泊松比和热膨胀系数的分散性的影响。研究结果表明:复合材料有效性能的分散性小于组分的分散性。随着纤维体积比的增加,纵向有效性能的分散性加大;而横向有效性能除了椭圆形纤维的短轴方向的热膨胀系数之外,其它性能的分散性则都是下降趋势。纤维截面形状和排列方式对纵向性能的分散性几乎没有影响。方形和圆形纤维时,横向性能的分散性几乎相同,而椭圆形纤维时,则与它们有明显的差别。不同纤维排列方式下,横向性能的分散性都是不一样的。对于E₁₁和G₁₂,六角形和方形对角排列时其分散性较大,而矩形排列引起的分散性最小。随着纤维体积比的增加,不同排列方式下,横向热膨胀系数的分散性趋近于一致。本文得到的结论为复合材料及结构的概率设计提供了重要的参考。      

2.5维机织复合材料纬向拉伸过程初始屈服准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,而目前对该类复合材料的破坏机理和失效原因尚未形成统一的认识。根据三维机织复合材料的拉伸试验现象,基于经纱曲面层板纬向纤维和树脂应力相等的假设,建立了2.5维机织结构复合材料纬向拉伸过程的初始屈服条件和屈服准则。通过对2.5维机织复合材料3种结构12个试件进行纬向拉伸试验及文献中的三维机织复合材料拉伸试验,与计算预测结果的对比表明本文中建立的初始屈服准则的合理性。研究表明,树脂横向裂纹是2.5维结构复合材料纬向拉伸过程初始屈服产生的直接原因;2.5维机织复合材料出现纬向拉伸屈服的条件仅和经纱曲面板内的经纱体积含量、纤维和基体的弹性模量及基体的拉伸破坏强度等因素有关,而与经纱曲面板的走向和层数无关。因为组分弹性模量不同,在纬向拉伸过程中,树脂应变高于复合材料的应变。树脂的初始横向裂纹首先发生在纤维密集处,并向富树脂区扩展;裂纹在向纤维方向扩展过程中受到纤维的阻碍而受到限制。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

双周期带涂层纤维压电复合材料反平面问题分析

 研究双周期带涂层纤维压电复合材料反平面问题。利用Eshelby等效夹杂原理引入特征应变和特征电场,并结合双准周期Riemann边值问题理论,获得了问题在反平面机械载荷和面内电载荷作用时的解析解。由本文解的特殊情形可以退化为已有结果。数值算例考察了复合材料内部应力和电场随复合材料各组分电弹参数的变化规律,研究了纤维排列方式和纤维体积分数对复合材料有效电弹系数的影响。带涂层纤维正六边形排列时的有效电弹系数与广义自洽方法的预测结果非常接近。结果对新型航空材料的设计和优化具有参考价值。     

不同温度和应力状态下Ni-Ti形状记忆合金力学行为分析

为了研究Ni-Ti形状记忆合金在不同应力状态下的力学行为,文中通过分离式Hopkinson杆实验装置分别对不同Ni-Ti形状记忆合金试样进行了动态拉伸和压缩试验。实验温度从291~573 K。从不同应力状态和试验温度的试验结果分析中发现:Ni-Ti形状记忆合金的相变屈服应力和位错屈服应力均随着试验温度的增加而增加;此外,同一Ni-Ti形状记忆合金压缩状态下的相变屈服应力和位错屈服应力均明显高于其拉伸状态下的相变屈服极限和位错屈服极限;而且对于同一Ni-Ti形状记忆合金,变形后材料的逆相变起始温度比变形前材料逆相变的起始温度高,且应变率越高,逆相变起始温度增加的越快。     

三维中空夹芯复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Workbench,建立了三维中空夹芯复合材料结构模型,进行拉伸性能研究。利用该模型,探讨了材料在1 mm拉伸位移载荷作用下纤维、树脂和复合材料的应力、应变分布。结果表明:三维中空夹芯复合材料在拉伸载荷作用下,"X"形芯材交叉处应力最大,最容易发生拉伸破坏;上下面板应力最小,最不容易发生拉伸破坏;复合材料在承受拉伸载荷作用时,增强体纤维起主要承载作用,基体树脂起次要作用;当拉伸位移载荷达到1 mm时,材料的破坏模式主要为树脂破裂。     

含有刚性球颗粒材料力学参数的预测研究

研究了在纯剪切轴向应力状态下材料的弹塑性过程。就含有刚性球在材料的有关力学参数进行了预测。提出了增加这种材料弹性常数的方法。显示出了材料整体的屈服应力σｓｏ与基体材料屈服应力σＳ１的关系。得到了基体屈服后的平均硬化速度以及基体屈服时所对应的材料整体的应力状态。     

镍基单晶合金弹塑性本构模型

Hill模型用于面心立方单晶的弹塑性变形,在描述屈服特性的晶向相关性时精度不高。考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次项乘积构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据单晶合金的屈服特点提出了新的单晶合金屈服准则。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测,760℃时能很好地符合试验结果;与Hill屈服准则比较,预测精度显著提高。在此基础上,重新定义了适合新屈服准则的等效应力,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,采用等向硬化模型,建立了单晶合金的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力则退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力。      

三维角联锁机织复合材料剪切性能有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E 5.0构建出一种三层角联锁机织复合材料的细观结构模型,借助有限元软件ANSYS对复合材料在剪切力作用下纤维与树脂的应力、应变分布进行数值模拟,并借此分析该复合材料在剪切作用下的力学行为,并预测复合材料破坏模式。结果表明:复合材料在剪切力作用下发生沿剪切力方向程度较均匀的剪切变形;纤维相对于树脂承受更多剪切力作用,产生更大应力,但发生相对较小的应变;纤维中轴向与剪切力方向平行的经纱相对轴向垂直于剪切力的纬纱表现出更大的应力和应变。     

缠绕复合材料壳体低速冲击损伤试验与仿真研究

针对缠绕复合材料壳体的低速冲击问题,采用试验和仿真相结合的方法研究了不同冲击能量下复合材料的冲击响应规律和损伤模式。基于连续介质损伤力学方法建立了考虑材料强度威布尔分布的复合材料面内损伤模型,并将模型通过用户材料子程序VUMAT嵌入ABAQUS中模拟复合材料面内损伤;同时采用cohesive单元模拟复合材料层间分层损伤。研究结果表明:在1.5k N冲击力附近缠绕复合材料产生初始损伤,初始损伤出现后,冲击力上升速率降低,并在最大冲击力附近处出现明显震荡;当冲击力达到3.5k N左右时出现纤维破坏,冲击力不再随冲击能量增加而增加。仿真结果与试验结果较为一致,表明该模型适用于研究缠绕复合材料壳体的低速冲击问题。     

芳纶纤维增强PPS复合材料耐水性能的研究

利用芳纶纤维对ＰＰＳ复合材料进行增强改性,利用化学处理方法在纤维表面引入环氧基,以改善纤维与基体间的界面性能。结果表明：在相同纤维含量下,纤维长度增加可减少应力集中,有利于力学性能提高,纤维表面接枝环氧基团后,复合材料界面性能提高,水难以沿界面掺入,从而使得同一条件下耐高温热水性能提高。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

碳纤维表面状态对C/C复合材料性能影响的研究

用两种经高温处理的碳纤维织物,以酚醛树脂作为基体先驱体,制备了二维C／C复合材料。通过扫描电镜（SEM）,X－射线光电子能谱（XPS）研究了两种碳纤维（TCF和JCF）的表面状态,测试了C／C复合材料（TCC和JCC）的层间剪切强度,拉伸性能,SEM观察表明,TCF及JCF表面都有沟槽,但TCF横断面呈腰子形非圆形,XPS分析表明TCF表面含氧官能团数量多,力学测试结果为：TCC层间剪切强度（ILSS）高于JCC,达到16．1MPa;TCC拉伸强度,模量均高于JCC,而JCC断裂延伸率达1．1％,是TCC的3倍,拉伸断口SEM分析表明,TCC断口平整,无纤维拔出,呈脆断,JCC断口有纤维拨出,是纤维控制的多层基体断裂。     

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料体系冲击后压缩强度研究

探讨了树脂基体、碳纤维增强体以及树脂基体 纤维的界面等对双马来酰亚胺 (简称双马 )树脂基复合材料冲击后压缩强度 (CAI)值的影响 ,指出降低树脂基体的交联密度和产生微观两相结构是提高碳纤维 /双马复合材料CAI值的两个典型方法。合适的树脂含量有利于保持复合材料体系较高的CAI值 ,采用高强高韧性的碳纤维可明显提高复合材料体系的CAI值。为获得较高的CAI值 ,保持合适的树脂基体 纤维界面性能也是必要的     

锡在碳/铜复合材料中的分布规律

在碳纤维/铜复合材料中加入少量锡,一方面能提高复合材料的抗磨性;另一方面能显著地降低复合温度。因碳纤维的表面性能和结构的特殊性,锡与铜的原子结构的差异对碳/钢复合材料中锡原子的迁移和分布有较大影响。锡在碳纤维附近的含量不同,与铜形成的合金具有不同的相组织,特别是当碳纤维/基体界面区的含锡量高达一定值时,产生以     

固化温度对苎麻纤维增强复合材料性能的影响

研究了固化温度对苎麻纤维增强复合材料力学性能的影响,同时对比研究了平纹苎麻织物、单向苎麻纤维和单向玻璃纤维增强复合材料的力学性能.结果表明:环氧树脂3233分别在120℃,140℃和l80℃固化2h后,其拉伸性能和弯曲性能没有明显的变化;而基于环氧树脂3233的苎麻纤维增强复合材料在120℃和l40℃固化2h后力学性能相当,但是在180℃固化2h后,强度明显减小,模量变化不大;单向苎麻纤维增强复合材料的力学性能要远远大于平纹苎麻织物增强复合材料的力学性能,如单向苎麻复合材料uRamie-3233-120的压缩强度和压缩模量分别为154.0 MPa和35.6 GPa,而苎麻织物增强复合材料fRamie-3233-120分别为95.0 MPa和9.2 GPa;玻璃纤维增强复合材料的强度也会高明显高于苎麻纤维增强复合材料的强度.     

短纤维增强铝硅合金中共晶硅形貌的SEM观察

利用挤压铸造制备了氧化铝短纤维增强铝硅合金复合材料，在sEM上观察了复合材料中的共晶硅形貌。结果表明，复合材料中的氧化铝短纤维可作为硅相非自发形核的衬底，并且在铝硅共晶体的共生生长过程中，可触发孪晶，导致纤维附近的共晶硅呈变质形态。     

强度自适应智能复合材料结构

提出在复合材料中埋入形状记忆合金丝、光纤阵列组成的强度自适应复合材料结构与系统。提出能够改变结构应力分布的形状记忆合金丝的布置方案;检测复合材料损伤及大应变位置的光纤阵列和神经网络;以及控制激励形状记忆合金丝动作的系统和实验方案。