加筋材料的格形模型和统计数值方法

本文采用格形化方法和统计技术建立加筋复合材料有限元力学模型，使用自动选取载荷步长方法和非平衡迭代技术，对加筋复合材料的宏观等效模量和破坏全过程进行了数值模拟，分析了材料分布的非均匀程度，相对体积比和横截面加筋分布方式对加筋复合材料整体宏观等效模量和承载力的影响。     

EFFECTIVE SPECIFIC HEATS OF SPHERICAL PARTICULATE COMPOSITES WITH INHOMOGENEOUS INTERPHASES

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.     

含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效比热

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.      

复合材料组分性能随机性识别的克里金随机分析方法

建立非均匀材料宏观力学性能与微结构参数之间的定量关系一直是人们所关心的问题,利用材料微结构参数和组分性能预报复合材料宏观力学性能,已经取得了很大的进展,然而已知复合材料宏观性能,如何开展组分性能的随机识别,目前的研究工作还不多见.论文考虑了复合材料的随机性,在已知复合材料宏观有效性能的随机性条件下,采用克里金随机分析方法,对复合材料组分性能的随机性进行识别,通过单向纤维复合材料的宏观有效性能的随机性,计算得到了纤维弹性模量的均值与方差,证明了该方法的有效性.     

含有随机夹杂的统计非均匀弹性介质参数的分析

本文提出了随机点场理论用于研究含有随机夹杂的统计非均匀介质。本文不同于其它作者,一般均将随机理论建立在Eshelby的等效夹杂原理之上,而这里是建立在Kunin的微结构理论基础之上。作为理论的一个应用,本文对复合材料的有效模量及夹杂内部及周围微观场进行了计算。     

双周期圆柱形压电夹杂反平面问题的精确解及其应用

研究无限压电介质中双周期圆柱形压电夹杂的反平面问题.借鉴Eshelby等效夹杂原理,通过引入双周期非均匀本征应变和本征电场,构造了一个与原问题等价的均匀介质双周期本征应变和本征电场问题.利用双准周期Riemann边值问题理论,获得了夹杂内外严格的电弹性解.作为压电纤维复合材料的一个重要模型,预测了压电纤维复合材料的有效电弹性模量.     

弱界面复合材料的简化塑性模型

本文研究线弹簧型弱界面颗粒增强复合材料,在比例加载条件下的简化塑性模型。利用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ模型,得到弱界面复合材料的割线弹塑性模量和有效应力,进而通过算例讨论了界面柔度对复合材料宏观应力应变曲线的影响。     

复合材料应力分析的均匀化方法

建立了基于均匀化理论的确定复合材料结构应力场的方法．其实质是用均质的宏观结构和非均质的具有周期性分布的细观结构描述原结构；将力学量表示成关于宏观坐标和细观坐标的函数，并用细观和宏观两种尺度之比为小参数展开，用摄动技术将原问题化为一细观均匀化问题和一宏观均匀化问题．这两个问题的解确定了包含等效位移和一阶近似位移的位移场，由此获得应力场．利用该方法给出了圆柱形孔隙材料和单向纤维复合材料在单向拉伸时的应力场以及空隙材料简支梁的局部应力场，说明了该方法的有效性     

单向纤维复合材料粘弹性性能预测

建立了基于均匀化理论的单向纤维复合材料粘弹性性能预测方法。对单向纤维增强复合材料粘弹性问题的控制方程进行Laplace变换,在像空间中利用均匀化理论建立宏观松弛模量的Laplace变换与微结构描述参数以及变换参数间的关系。用Prony级数模拟松弛模量随变换参数的变化形式,并根据像空间中一系列变换参数对应的松弛模量的数值,采用函数拟合技术确定Prony级数的形式,从而确定用显示形式表示的松弛模量的Laplace变换随变换参数的变化规律。对显式表达式的逆变换获得时间域内的松弛模量。该方法利用拟合函数的逆变换避开了复杂的数值Laplace逆变换,使单向纤维增强复合材料的粘弹性性能的确定变得容易。文中给出了单向纤维复合材料松弛模量的数值预测结果并同有限元法模拟试验的结果对比,验证了预测结果的准确性以及本文方法的有效性。     

应用于弹性问题的重心坐标有限元法

通过几何的方法构造了在任意多边形上的具有重心型格式的平均值插值函数,并利用Galerkin法提出了应用于弹性问题的重心坐标有限元法.重心坐标有限元法的插值函数在多边形单元间是协调的,能够方便的施加本质边界条件.重心坐标有限元法的插值函数对于不同边数的多边形单元具有统一的表达形式,编程实现简便易行,能够方便的应用于复杂几何区域的求解.通过重心坐标有限元法分别进行了小片试验、悬臂梁和复合材料的有效模量的数值模拟.小片试验的计算精度达到了机器精度;悬臂梁的计算结果与解析解的吻合程度较高;复合材料的有效模量的数值模拟结果与传统有限元和解析解吻合得较好,变化趋势合理.     

基于等效特征应变原理的复合材料有效模量细观力学分析

基于等效特征应变原理,提出了一种新的复合材料有效模量细观力学分析方法。首先,在等效特征应变原理基础上提出平均等效特征应变原理,它可用于解决有限体下任意形状(无论是凸或凹形)的单个夹杂或多个夹杂的弹性变形问题。其次,将平均等效特征应变原理与细观力学直接均匀法相结合,来分析确定复合材料的有效模量。最后利用复合材料纤维与基体的力学性能参数及纤维的体分比,借助MATLAB编程方法,预测其有效模量。通过将理论预测值与已有的的试验值、其它理论预测值进行对比,验证了新分析方法的合理性和分析精度。     

不同拉压模量连续梁的解析解

拉压不同模量的材料在工程中应用很广,特别是近几年发展起来的复合材料都具有明显的拉压不同模量性质.本文对复杂应力状态下不同模量连续梁提出了中性轴判断定理,并用分段积分方法推导出不同模量结构的中性层计算表达式及应力的解析解.通过对实例的计算及分析,得出不同模量与经典力相同模量两种方法在结构应力计算上的差异,最后提出对该类结...     

基于细观力学方法的混凝土热膨胀系数预测

建立混凝土材料的有效性质与微结构参数之间的关系,是混凝土材料优化设计的基础。本文用细观力学方法对复合材料宏观有效热膨胀系数进行研究,得到了含有一球形夹杂物的无限大介质在均匀变温作用下的应力场。假定混凝土为由骨料和砂浆基质组成的二相复合材料,根据混凝土宏观体积热膨胀量与组成混凝土的各相介质细观体积热膨胀量相等的原则,采用基于Mori-Tanaka方法的混凝土宏观有效剪切模量,推导出混凝土有效热膨胀系数的解答。对稀疏解法、自洽方法和有限单元数值试验结果的比较说明,本文提出的基于自洽方法的混凝土宏观有效热膨胀系数的理论公式能够较好的描述混凝土的热学特性,该方法可以推广到多相复合材料宏观有效热膨胀系数的预测中。     

HT—7U超导托克马克纵场线圈等效模量的数值分析

HT－7U托克马克装置的纵场线圈是由多种材料组成的具有周期性分布的大型复杂结构，线圈可视为由超导线、支撑结构和绝缘材料组成的复合材料，结构极其复杂。整个线圈工作在液氦温区。在设计阶段对其宏观等效力学性能进行数值分析计算是十分必要的，但要对整个线圈直接进行有限元分析或实验是极其困难的，主要利用均匀化方法对其进行等效处理，从而分析计算其宏观等效模量，为线圈的设计和评估提供参考依据。另外本文对均匀化方法的边界条件进行了一些改进，提出了更加合理的三维边界条件。     

考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料的有效力学性能

基于Gurtin-Murdoch表/界面理论和广义自洽方法,获得了考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料有效反平面剪切模量的闭合形式解。讨论了涂层的壁厚、力学性能和界面性能对复合材料有效性能的影响。结果显示：在纳米尺度范围内,复合材料的有效反平面剪切模量受纳米涂层的尺寸影响显著。纤维体积分数一定时,涂层壁厚越大,纤维半径越小,有效反平面剪切模量与经典结果偏差越大。纤维刚度和涂层界面性能对复合材料有效模量的影响也取决于涂层刚度,非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献,过高的涂层刚度屏蔽了纳米复合材料表/界面效应的影响。     

应用于弹性问题的重心有限元法

摘要：通过几何的方法构造了在任意多边形上的具有重心型格式的平均值插值函数,并利用Galerkin法提出了应用于弹性问题的重心有限元法。重心有限元法的插值函数在多边形单元间是协调的,能够方便的施加本质边界条件。重心有限元法的插值函数对于不同边数的多边形单元具有统一的表达形式,编程实现简便易行,能够方便的应用于复杂几何区域的求解。通过重心有限元法分别进行了小片试验、悬臂梁和复合材料的有效模量的数值模拟。小片试验的计算精度达到了机器精度;悬臂梁的计算结果与解析解的吻合程度较高;复合材料的有效模量的数值模拟结果与传统有限元和解析解吻合得较好,变化趋势合理。     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法.首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材料的热弹性相关参数.然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准.本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研究,验证所提出方法的有效性和准确性.对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.     

短纤维增强复合材料破坏过程的数值模拟

利用一个材料破坏过程分析程序ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了短纤维增强复合材料的破坏过程,研究表明,对于非均匀脆性材料而言,纤维与基体的强度、弹性模量经级纤维的弹塑性性质对宏观材料的强度和韧性有很大的影响,数值模拟再现了短纤维增强复合材料的变形、破坏全过程,包括纤维的止裂与桥连作用及微裂纹的萌生、扩展直至最宏观贯通。     

基于参数化水平集方法的微结构拓扑优化设计

相比于单一材料,复合材料具有轻质高强等优点,拓扑优化方法是设计复合材料的方法之一.本文采用改进的参数化水平集方法,更新了水平集迭代格式,并应用水平集带方法在优化过程中引入中间密度,使水平集方法与变密度法无缝结合以改善水平集方法的拓扑寻优能力,降低其初始设计依赖性.本文以最大化体积模量、剪切模量和负泊松比作为材料设计目标,结合均匀化方法预测材料的宏观等效性能,研究了不同体积分数、多种初始设计及水平集带方法的引入对优化结果的影响,并得到了多种满足不同目标函数的微结构拓扑形式.数值算例验证了本文方法在复合材料微结构设计问题中的有效性.     

颗粒增强复合材料有效弹性模量预测的多步法

提出了一种用于预测颗粒增强复合材料有效弹性模量的多步法.将基体与部分颗粒均质化为一种混合物,计算得到其力学性能后再当成新的基体,如此反复,直到计算出复合材料的有效模量.利用四种多步法计算了不同填充分数和不同模量比复合材料的有效弹性模量,并与全尺寸有限元计算结果进行了对比.结果显示,低体积分数下多步法结果与有限元模型计算结果误差较小,并随着体积分数的提高而增大,其中FEM-FEM法精度最高.有限元多步法可有效解决因复合材料填充比高、颗粒尺寸相差大而造成的计算模型过大等困难,可在一定精度要求下代替全尺寸有限元预测复合材料有效性能.