基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

三维编织复合材料圆柱壳的扭转后屈曲分析

随着三维编织复合材料应用的日益广泛,且由于三维编织复合材料的优异性能是与细观结构密切相关的,深入研究其细观结构显得尤为重要.本文通过研究三维圆型编织中所形成的空间纱线交织结构的特征,给出改进的三胞结构单胞模型,通过单胞的组装和变换,得到编织预制件的整体力学性能模型.基于Reddy高阶剪切变形理论导得广义Krmn型大挠度方程,计及边界层效应,采用奇异摄动法,考虑非线性前屈曲、大挠度和初始几何缺陷的影响,给出三维四向编织复合材料圆柱壳在扭转载荷作用下的严格满足边界条件的大挠度渐近解,讨论了纤维体积含量、编织角和几何参数等因素对圆柱壳屈曲和后屈曲行为的影响.     

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.      

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.     

参数拟二次规划法及其在复合材料失效过程分析中的应用

本文介绍关于不连续线弹性静力学问题的多变量变分原理与相应的参数拟二次规划算法在复合材料层压板强度分析及纤维增强脆性基体材料单元细观失效过程分析中的应用。     

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

三维编织复合材料几何建模及数值分析

论文根据三维编织复合材料的结构特点,把整体结构分为内部单胞、表面单胞和角单胞三种类型的子单胞,考虑空间纤维束的相互扭结和挤压所造成的纤维束的弯曲和截面变形,针对每种类型的子单胞,建立了相应的几何分析模型.引入周期性位移边界条件,建立了材料的弹性性能预报模型,得到了三维编织复合材料的工程弹性常数.通过数值比较可以看出,论文所给出的数值计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了本文模型的有效性.     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素。基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型。两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性。分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响。研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大。     

功能梯度材料的黏弹性断裂问题

功能梯度材料(FGM)是一种不同于传统复合材料的新型工程复合材料 [1], 国内外关于FGM的断裂力学方面的研究发展非常迅速. 关于FGM静态裂纹问题,学者们研究了不同类型裂纹尖端场的应力强度因子 [2-5], 探讨了有限长裂纹在不用载荷作用下的传播等问题. 而关于动态裂纹问题,也已经取得很大成就 [6-9]. FGM一个很重要的应用是高温结构材料,在强大的热环境中,很多材料都呈现出黏弹性. 因此,研究FGM的黏弹性断裂力学非常具有实际价值.对此,众多研究 [10-14]提出不同的分析模型,并在不同受载条件,通过理论计算,分析了黏弹性裂纹尖端场的力学 行为.本文考查了功能梯度材料板条中界面裂纹垂直于梯度方向时的黏弹性断裂问题,首先利用有限元法求解线弹性功能梯度材料板条的裂纹尖端场,然后根据黏弹性的对应性原理,求解出黏弹性功能梯度材料板条裂纹问题的应力场强度因子.      

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

Nonlinear viscoelastic multi-scale repetitive unit cell model of 3D woven composites with damage evolution

Three-dimensional (3D) textile composites have great potential applications to aircrafts and high speed vehicles because of the high strength/weight ratios and the capabilities of manufacturing complex, net-shape preforms. This paper reports the nonlinear viscoelastic responses and damage mechanisms of one kind of 3D textile composites, named as 3D orthogonal woven composite (3DOWC) under quasi-static tensile loading based on a micro/meso-scale repetitive unit cells (RUCs) model. In the RUCs model, the resin is described with a nonlinear viscoelastic material and the fibers/tows with an elastic material. The damage initiation and propagation in resin are simulated by the post-damage constitutive models with maximum principal theory failure criteria. The fibers/tows impregnated with resin are defined by elastic transverse-isotropic material model with ultimate strengths failure of ‘expanded smeared crack’ both along and perpendicular to fibers/tows axis direction. The engineering parameters and ultimate strengths of homogenized fibers/tows filled with matrix in meso-RUCs model are transferred from the numerical analysis of the micro-RUCs. The results are compared with experimental and theoretical values of RUC deformation and damage initiation and propagation under monotonic axial loading. The methodology of establishing the nonlinear visco-elastic multi-scale model of 3D textile composites without introducing the real fabric architecture in finite element analyses is explained. With the multi-scale RUCs model, the mechanical behaviors of other kinds of 3D textile composites can also be predicted.     

机织复合材料的本构关系与成形性研究

对机织复合材料的成形性研究文献进行综述.首先介绍了纺织复合材料的种类、力学和物理特性及其工业背景.接着,从实验、理论、计算3个方面概述了目前对平纹机织复合材料的成形性以及工业冲压技术研究的进展.对于平纹机织复合材料,剪切变形是最主要的变形形式,其本构关系具有非线性的特征.通过对材料样品纯剪切行为的观测,发现了相应的皱曲现象并引入了``锁定角'的概念.大量的实验研究了材料在工业冲压中的可能出现的变形模式及其对皱曲的影响.随后,从理论上介绍了对材料本构关系(包含了拉、压、剪)的系统性模拟,以及冲压过程中有限元数值计算方面的进展.材料的成形性还受到冲压温度、模具对材料的压力、模具与材料表面的摩擦等多种因素的影响.文章对这些问题的研究一一作了简要的介绍,其中许多研究工作不仅得到了重要的结论,还开创了相关课题研究的先河,受到了人们的普遍关注.文章的最后,在总结前人成果的基础上讨论了今后的研究方向,并对该领域的发展作了展望.      

A STUDY OF RESIDUAL STRENGTH OF SISAL TEXTILE REINFORCED VINYL ESTER

In this study, the residual strength of sisal textile reinforced vinyl ester resin is studied using specimens with a central hole. Two kinds of chemicals, silane and permanganate, are used to treat sisal fibre surfaces. The effects of fibre surface treatments on the residual strength of sisal fibre reinforced composites with different central hole sizes are analysed. Optical microscopy （OM） surveys provide sound evidence for the relationship between residual strength properties and fracture morphologies of sisal textile reinforced vinyl ester. Several theoretical models used to predict the residual strength of laminated composites are briefly reviewed. Point stress criterion （PSC） and average stress criterion （ASC） models are used to analyze the mechanical properties of sisal textile reinforced polymers with a central hole in this research. Material constant, characteristic length （d0 or lc）, is obtained and used to analyze the mechanical behavior of the composites. The residual strength of the composites predicted by PSC and ASC models is in good agreement with the experimental results..     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

纤维增强陶瓷基复合材料的D失效判据

经典唯象强度理论适用于正交各向异性线弹性体。对于非线性纤维增强复合材料,通过加卸载试验和损伤力学的分析方法,可以得到一种虚拟的线性化应力-应变关系;依据损伤等效假设,针对线性损伤和非线性损伤,对基于应力的经典二次失效准则进行变换,建立了一种基于损伤的强度理论,即“D失效判据”,这一强度理论可以作为经典判据的补充和扩展。针对平纹编织C/SiC复合材料的拉/剪组合试验,进行了实例计算,结果表明：利用D失效判据预测的失效包络线比蔡-希尔准则的预测曲线低,而且,失效曲线的形式与材料的损伤演化规律相关。     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩破坏仿真

对ANSYS软件平台进行了二次开发，建立了平面编织混杂铺层层合板损伤累积有限元模 型，对含孔平面编织混杂铺层层合板的压缩破坏行为进行了仿真计算. 研究结果表明，所建 模型能够较好地仿真含孔平面编织层合板的损伤破坏过程，并能准确预测层合板的 损伤类型、损伤扩展以及破坏强度；同时提出并验证了适合该类型层合板的损伤判 据和衰减准则. 该模型所给结果形象直观，适合工程应用.     

ELASTIC BEHAVIOR ANALYSIS OF 3D ANGLE-INTERLOCK WOVEN CERAMIC COMPOSITES

A micromechanical model for elastic behavior analysis of angle-interlock woven ceramic composites is proposed in this paper. This model takes into account the actual fabric structure by considering the fiber undulation and continuity in space, the cavities between adjacent yarns and the actual cross-section geometry of the yarn. Based on the laminate theory, the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites are predicted. Different numbers of interlaced wefts have almost the same elastic moduli. The thickness of ceramic matrix has little effect on elastic moduli. When the undulation ratio increases longitudinal modulus decreases and the other Young's moduli increase. Good agreement between theoretical predictions and experimental results demonstrates the feasibility of the proposed model in analyzing the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites. The results of this paper verify the fact that the method of analyzing polyester matrix composites is suitable for woven ceramic composites.     

剑麻织物增强乙烯乙酯基复合材料的剩余强度研究

采用中间开孔试样对剑麻织物增强乙烯乙酯基复合材料的剩余强度进行了研究．两种化学处理剂硅烷和高锰酸钾分别被用来对纤维表面进行处理,并对处理前后该种复合材料的剩余强度的变化进行分析,同时,利用微观分析揭示了剑麻织物增强乙烯乙酯基复合材料的剩余强度与破坏形貌之间的关系．     

织物及织物复合材料本构理论与试验研究进展

织物复合材料具有高的抗损伤性, 各方向的性能优于层合复合材料, 因而引起人们的重视.织物增强复合材料由于其高比强度、易于制造和充分发展的织物技术等优点使其已经广泛用于航空、汽车和运动产品. 由于使用这些材料越来越普遍, 自动化生产替代了手工生产, 用精确的方法模拟材料的变形是必不可少的. 为了精确的反映材料的行为, 那么就需要描述材料力学性质的本构方程,而作为验证本构模型的试验是伴随着本构模型的发展而发展的.本文首先综述了织物及织物复合材料的发展和现状, 接着重点介绍了织物及织物复合材料的本构理论的研究发展, 并对织物及织物复合材料的斜拉伸试验、像框试验等内容进行了介绍. 最后根据织物复合材料的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系,强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今后的研究工作发表一些看法。