压入实验界面端奇异性研究

纤维压入实验是复合材料界面剪切强度细观实验方法之一,其试件通常由复合材料中切割下来制备而成,从中选取单根纤维,进行压入试验,所以被选中的纤维可看成是被纤维和纯基本材料构成的横观各向同性复合材料所包裹。本文以此为依据,建立了横观各向同性复合材料基体包裹各向同性纤维的轴对称模型,采用逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程,并计算了碳纤维／环氧树脂、碳纤维／铝和碳纤维／Al2O3压入试件界面端奇异性随碳纤维体积百分含量的变化情况。     

考虑尺寸效应的双材料轴对称界面端应力奇异性

提出了一种分析双材料轴对称界面端的应力奇异行为的特征值法.基于弹性力学空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和无网格算法,导出了关于应力奇异性指数的离散形式的奇异性特征方程.由奇异性特征方程的特征值和特征向量,即可确定应力奇异性指数、位移角函数和应力角函数.数值求解了纤维/基体轴对称界面端模型的奇异性特征方程, 结果表明:尺寸效应参数δ(奇异点与轴对称轴的距离和应力奇异性支配区域大小的比值)影响着应力奇异性的强弱与阶次, 准一阶近似解析解只是δ>>1时的一个特例.      

纤维段裂试验的界面端应力奇异性研究

纤维段裂试验是测定纤维复合材料界面剪切强度的细观实验方法之一，其试验结果与其他三种细观试验方法(纤维拔出、纤维压人和微珠脱粘)测得的结果各不相符，相差较大。针对该问题，仔细研究了纤维段裂试验过程，可发现如下两个问题，首先是试件中纤维断裂造成的界面端应力奇异性问题；其次是纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题。针对界面端应力奇异性问题，本文建立了界面端轴对称分析模型，运用渐近展开法，推导出求解界面端特征值的特征方程，并由此得到应力奇异性指数随Dundurs常数的变化规律；采用文献[5]所用试件的纤维／基体性能数据，计算出了界面端的应力奇异性指数，并与文献[7]得到的其他三种试验的界面端应力奇异性指数进行比较，发现纤维段裂试件也存在界面端应力奇异性，而且应力奇异性最强，也说明了与其他三种试验结果不具可比性。本文还对纤维断成临界长度时界面是否脱粘的问题，进行了讨论。     

界面端应力奇异性与复合材料界面剪切强度细观实验分散性分析

复合材料细观实验方法主要有纤维拔出、纤维压力、纤维段裂和微球脱粘实验等四种；但这四种试验得到的界面剪切强度结果存在很大的分散性。虽经三十余年的研究和改进，仍未能消除。为研究分散性产生的原因，本文以轴对称界面端应力奇异性分析为基础，推导出求解四种试件界面端的特征值的特征方程，并给出了特征值随Dundurs常数的变化情况，由此发现用相同的纤维和基体制作的四种试件在界面端存在奇异性不同的应力场，从而阐明了四种界面剪切强度试验结果巨大分散性的产生原因在于纤维和基体间界面处的应力奇异性。     

基于界面端奇异性理论的单纤维拔出试验的试件设计

在单纤维拔出试验中，由于试件的界面端存在应力奇异性，这使试验所得到的界面剪切强度数据失去合理性[1]。但从文献[1]关于微珠脱粘试验研究的结论中可以发现当基体的楔形角小于某临界角度后，微珠试件界面端应力奇异性几乎消失。由此启发我们设计出一种楔形角小于该纤维／基体系统临界角的锥面的拔出试件，这样即可以防止出现传统拔出试件在界面端的强应力奇异性，又可以避免微珠脱粘试验自身的缺陷。界面端具有任意楔形角的轴对称模型被用于分析和确定纤维／基体系统的临界角，对方程进行渐近展开和分离变量处理，根据边界条件可以得到关于特征值λ的特征方程，针对确定的纤维／基体系统可以得到特征值和楔形角的关系曲线，我们把应力奇异性指数等于-0．005时所对应的楔形角定义为临界角，以及根据临界角设计锥面拔出试件的方法。     

纤维与基体的轴对称界面端附近的奇异应力场

基于各向性弹性力学空间轴对称问题的基本方程,研究了纤维与基体的轴对称界面端的应力奇异性,并给出了界最佳 近的奇异应力场。研究结果表明,该轴对称界面端的应力奇异性与平面应变状态下相应模型的应力奇异性完全相同,材料对界面端附近奇异应力场的影响可用丰个双材料组合参数描述。     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

特征值为二重根的压电材料异材界面端奇异性

横观各向同性压电材料的特征值的不同,其一般解的形式也不同,压电结合材料问题的求解,可以归结为寻找合适的调和函数,针对材料特征值为二重根（s1^2≠s2^2=s3^2)的情况,将变量分离形式的调和函数作特征展开,推导了横观各向同性压电材料轴对称异材界面端附近的奇民异应力场和奇异电位移场,给出院 决定奇异性的特性方程,结果表明,电位移场和应力场具有相同的奇异性,奇异性次数不仅与界面端形状以及材料的机械性质有关。也与材料的压电特性有关。     

微拉曼光谱研究M55JB碳纤维/微滴的拉伸变形行为

使用评价纤维/基体界面力学性能的新方法纤维微滴拉伸测试,来研究M55JB碳纤维/环氧树脂基体之间的界面应力传递性能。使用自制的微加载装置对碳纤维/环氧树脂微滴试样进行对称式拉伸测试,用微拉曼光谱仪记录下不同应变下的嵌入微滴内纤维上的拉曼频移信号,经过应力/频移关系转换成纤维轴向应力。实验结果显示,微滴内纤维轴向应力随载荷而明显增加。根据界面力平衡模型得到相应的界面剪切应力呈反对称式分布,在纤维嵌入端存在剪应力集中。新测试方法能保证嵌入微滴内纤维上的应力呈对称式分布,而且能降低纤维嵌入端附近的应力奇异性。     

各向同性材料接头和界面相交裂纹应力奇异性特征分析

提出了用插值矩阵法分析各向同性材料接头以及与界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于接头和裂纹端部附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内各向同性材料接头以及与两相材料界面相交裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了两相材料平面接头端部应力奇异性指数以及与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

Interaction of an anti-plane singularity with interfacial anti-cracks in cylindrically anisotropic composites

Anti-plane problem for a singularity interacting with interfacial anti-cracks (rigid lines) under uniform shear stress at infinity in cylindrically anisotropic composites is investigated by utilizing a complex potential technique in this paper. After obtaining the general solution for this problem, the closed solution for the interface containing one anti-crack is presented analytically. In addition, the complex potentials for a screw dislocation dipole inside matrix are obtained by the superimposing method. Expressions of stress singularities around the anti-crack tips, image forces and torques acting on the dislocation or the center of dipole are given explicitly. The results indicate that the anisotropy properties of materials may weaken the stress singularity near the anti-crack tip for the singularity being a concentrated force but enhance the one for the singularity being a screw dislocation and change the equilibrium position of screw dislocation. The presented solutions are valid for anisotropic, orthotropic or isotropic composites and can be reduced to some new or previously known results.     

短切碳纤维C/SiC陶瓷基复合材料的动态劈裂拉伸实验

为了探究C/SiC陶瓷基复合材料的动态断裂力学行为和破坏形态,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)装置对3种不同短切碳纤维体积分数的C/SiC陶瓷基复合材料进行了动态劈裂实验,并利用扫描电子显微镜扫描了C/SiC复合材料试件的破坏界面,分析了C/SiC陶瓷基复合材料的失效特征和增韧机理。实验结果表明:C/SiC复合材料在冲击劈裂实验过程中,同一短切碳纤维体积分数下试件的动态抗拉强度随着冲击气压的增大而增大; 短切碳纤维体积分数为16.0%时, 材料的抗拉强度最低; 冲击后,试件的整体破坏情况与冲击气压、短切碳纤维体积分数有关。     

Intensity of singular stress at the fiber end in a hexagonal array of fibers

To evaluate the mechanical strength of fiber-reinforced composites it is necessary to consider singular stresses at the end of fibers because they cause crack initiation, propagation, and final failure. The singular stress field is controlled by generalized stress intensity factor (GSIF) defined at the fiber end. In this study, periodic and zigzag arrays of cylindrical inclusions under longitudinal tension are considered in comparison with the results for a single fiber. The unit cell region is approximated as an axi-symmetric cell; then, the body force method is applied, which requires the stress and displacement fields due to ring forces in infinite bodies having the same elastic constants as those of the matrix and inclusions. The given problem is solved on the superposition of two auxiliary problems under different boundary conditions. To obtain the GSIF accurately, the unknown body force densities are expressed as piecewise smooth functions using fundamental densities and power series. Here, the fundamental densities are chosen to represent the symmetric stress singularity, and the skew-symmetric stress singularity. The GSIFs are systematically calculated with varying the elastic modulus ratio and spacing of fibers. The effects of volume fraction and spacing of fibers are discussed in fiber-reinforced plastics.     

碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面应力传递的研究

基于均匀化理论,建立了碳纳米管增强Nb-Si基复合材料的代表体积元模型,并采用剪切滞后模型对碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面上的应力分布和传递机制进行了研究,探讨了分子间作用力、杨氏模量比β、长径比α、体积分数?等对其应力分布和传递机制的影响。结果表明,复合材料界面应力分布的变化主要集中在碳纳米管的两端,最大的应力都是分布在加载端或拔出端,然后向另一端传递;分子间作用力、杨氏模量比、长径比、体积分数等参数对界面应力的传递均有一定的影响,其中长径比和体积分数的影响最明显,体积分数为0.02时拔出端的界面剪切应力值相对于体积分数为0.0025时增大幅度达到近7倍,而长径比从200减小到50时,其应力传递距离增大了近8倍。     

An analytical and numerical approach for calculating effective material coefficients of piezoelectric fiber composites

The present work deals with the modeling of 1–3 periodic composites made of piezoceramic (PZT) fibers embedded in a soft non-piezoelectric matrix (polymer). We especially focus on predicting the effective coefficients of periodic transversely isotropic piezoelectric fiber composites using representative volume element method (unit cell method). In this paper the focus is on square arrangements of cylindrical fibers in the composite. Two ways for calculating the effective coefficients are presented, an analytical and a numerical approach. The analytical solution is based on the asymptotic homogenization method (AHM) and for the numerical approach the finite element method (FEM) is used. Special attention is given on definition of appropriate boundary conditions for the unit cell to ensure periodicity. With the two introduced methods the effective coefficients were calculated for different fiber volume fractions. Finally the results are compared and discussed.