2-3型压电复合材料有效特性及其静水压性能的研究

压电复合材料是由至少一种压电材料与非压电材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的具有压电效应的材料。采用均匀场理论,提出了2-3型压电复合材料的代表性体积单元,通过建立串联、并联等模型预估了压电复合材料的弹性刚度常数:C11、C12、C13、C22、C23、C33,压电常数:e31e、32e、33,介电常数:3ε3。然后用有限元方法(使用了有限元分析软件ANSYS)分析了压电复合材料的材料常数,并用有限元方法验证了均匀场理论求解2-3型压电复合材料有效特性参数的准确性。根据求得的有效特性参数进一步研究了2-3型压电复合材料的静水压性能,由于求得的静水压性能值很低,又改良了2-3型压电复合材料的模型,获得了较好的静水压性能。并将改良前后2-3型压电复合材料与3-2型压电复合材料的静水压性能进行了比较。     

1-3型压电复合材料及其研究进展

1-3型压电智能复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电复合材料.简述了1-3型压电智能复合材料形成及其材料结构构成变化的发展历程,并从理论分析、参数辨识、数值计算和试验方法四方面阐述了宏观等效特征参数的研究状况.在此基础上对现有的制备工艺技术的优缺点进行了比较,对声学、医学、控制、航空航天等已应用和可能应用的领域的现状和发展趋势进行了回顾和展望,最后建议了1-3型压电智能复合材料今后几个较为重要的研究方向.      

含有功能梯度界面相压电纤维复合材料的平面问题

基于复变函数理论和线弹性压电材料本构方程,研究了含有功能梯度界面相压电纤维复合材料平面问题的电-弹场.首先基于复变函数理论,对功能梯度界面相分层均匀化处理,然后将基体、分层均匀化后的界面相以及压电纤维的复势设定为含有待定系数的级数解形式,再通过边界条件建立相应的方程组求解复势中的待定系数,最后求得在各种载荷下压电复合材料的电-弹场.研究结果表明功能梯度界面相的材料属性对压电复合材料的电-弹场有重要的影响.     

钢纤维增强砂浆的轴拉损伤力学模型

基于Li Fa Ming的平行棒模型,对短钢纤维增强砂浆的平板试件,在直接拉伸条件下的破坏行为进行了分析,假设试件由N根相互平行的复合棒组成,每根复合棒又由一根纤维棒和S根砂浆棒组成,考虑纤维在基体中分布的方向因子和长度因子.砂浆的损伤可按连续损伤力学进行处理,将Loland模型和Mazars模型加以改进来描述.依据多根纤维的拉拨模型,假定纤维与基体间界面的损伤由纤维脱粘长度与纤维插入长度的比值来描述,复合材料的损伤包括基体的损伤和纤维的损伤,借助已有的试验数据和文献资料来确定本构模型中的各种参数,成功建立了短钢纤维增强砂浆直接拉伸应力一应变全曲线模型.所建模型与试件在直接拉伸试验下的应力-应变全曲线进行了对比,结果较为吻合.     

含有多个涂层压电纤维复合材料的平面问题研究

压电纤维在未来的复合材料结构健康监测中具有重要作用．本文基于横观各向同性压电材料位移和应力连续条件以及经典的复势函数理论,讨论了同时受到平面内机械载荷和出平面电载荷作用时含有多个带涂层压电纤维的无限大线弹性基体的平面力学问题．首先将线弹性基体、涂层和压电纤维的应力场、位移场表示成复势函数,然后通过横观各向同性压电材料和线弹性材料的位移和应力连续条件确定复势函数表达式．将得到的复势函数表达式代入线弹性基体、涂层和压电纤维的的应力场、位移场公式可确定其应力场和位移场．最后,通过定量的案例讨论了涂层的材料属性对线弹性基体应力场的影响．案例分析表明涂层的材料属性对压电复合材料的应力场有重要的影响．     

粉砂岩峰后破坏区应力脆性跌落的试验和本构方程研究

对粉砂岩试样进行常规三轴压缩试验,得到了其在不同围压下的应力-应变全程曲线.结果表明,岩样应力-应变曲线峰前(破坏前区)部分的力学性质较为稳定,其力学行为可用经典强度理论进行描述;应力-应变曲线峰后(破坏后区)部分,岩样处于非稳定状态,其力学行为难以用经典强度理论来描述,而脆塑性模型恰好可以描述试验岩样的应力非连续变化特征.岩石的应力脆性跌落是有条件发生的,应力脆性跌落系数是围压的函数,并给出应力脆性跌落系数与围压的关系.对完整岩样而言,使用弹性-线性软化-残余塑性三线性非理想脆塑性模型可以描述岩样的本构特征,而对含有节理岩样而言,采用双线性弹性-线性软化-残余塑性四线型非理想脆塑性模型与试验更为相符.     

压电/纤维复合材料耦合旋转驱动器力学设计模型

本文在经典层合板理论和三维压电材料本构方程的基础上,依据压电材料与纤维复合材料之间的相互作用、位移连续条件,建立了压电—纤维复合材料旋转耦合驱动器力学模型,并推导出电耦合方程。计算和初步实验说明,这种新型结构的压电伸缩变形—离轴纤维复合层扭转变形耦合旋转驱动器比同类型驱动器能量密度高、转矩大,且这种旋转电机结构简单紧凑、工作稳定、寿命长、预计随着研究的进一步深入,可望成为一种新型的微致驱动器而广泛应用于微型机械、精密测量和自动控制等领域。     

短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶(EPDM)包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺,主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,根据纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分:表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正,给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明,该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性,并将预测结果与实验数据对比,误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发,在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.     

加热压电纤维复合材料圆板的横向自由振动

基于经典薄板理论和极正交各向异性材料的本构理论,建立了加热压电纤维复合材料圆板的线性振动控制微分方程。采用打靶法分别获得了加热压电纤维复合材料圆板在周边固支和简支情况下,无量纲固有频率随温度和电场强度变化的关系曲线,并分析了压电纤维体积分数、刚度参数、电场强度和温度变化对压电纤维复合材料圆板无量纲固有频率的影响。结果表明,一定体积分数或者电场强度下,压电纤维复合材料圆板的无量纲固有频率都随温度的升高而单调下降;同一温度下,刚度参数越小,无量纲固有频率越低;电场强度越大,无量纲固有频率越高。     

冲击载荷下猪后腿肌肉的横向同性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论及粘弹性理论,提出了猪后腿肌肉的率相关本构模型。 通过拟合以往研究中猪后腿肌肉的SHPB和SHTB实验应力应变曲线,确定了本构模型的相关参数。结果 表明:提出的本构模型既能描述猪后腿肌肉沿纤维方向的动态压缩力学性能又能描述其动态拉伸性能,理论 模型与实验模型有较好的一致性。该结果可为安全防护数值模拟提供一定的理论依据。     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用Establishment and application of short fiber reinforced rubber constitutive model based on transversely isotropic hyperelastic theory

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

MACRO AND MICROSCOPIC PARAMETER MAPPING RELATIONSHIP FOR RED SANDSTONE 1)

颗粒流离散元软件PFC2D在岩土工程中的应用十分广泛,存在的主要问题是如何标定其细观参数,目前大多使用"试凑法",此方法的缺点在于工作量大、效率低等,本文提出以反向传播算法(back propagation,BP)神经网络的方式代替此方法,利用PFC2D 内置的FISH 以及Python 语言对其进行二次开发,使之自动运行并获取40组宏细观参数样本。结果表明：BP神经网络可以快速准确地建立宏细观参数映射关系,误差均保持在0.01 以内,模拟得到的应力--应变曲线与室内试验曲线高度吻合,且无需大量的数据样本便可创建网络,效率较高;另外,经验证本文选用的平直节理模型,可以有效地解决平行粘结模型UCS/TS值偏小问题,确定平直节理模型可以更好地模拟岩石。     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能,是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND）,会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金,建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法,在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线,分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明,对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料,在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性,在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度,这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向,滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例,将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究

FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能，是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND），会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金，建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法，在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线，分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明，对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料，在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性，在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度，这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向，滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例，将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.     

A periodic unit-cell simulation of fiber arrangement dependence on the transverse tensile failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites

The effect of fiber arrangement on transverse tensile failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites with a strong fiber-matrix interface was studied using a unit-cell model that includes a continuum damage mechanics model. The simulated results indicated that tensile strength is lower when neighboring fibers are arrayed parallel to the loading direction than with other fiber arrangements. A shear band occurs between neighboring fibers, and the damage in the matrix propagates around the shear band when the interfacial normal stress (INS) is sufficiently high. Moreover, based on the observation of Hobbiebrunken et al., we reproduced the damage process in actual composites with a nonuniform fiber arrangement. The simulated results clarified that the region where neighboring fibers are arrayed parallel to the loading direction becomes the origin of the transverse failure in the composites. The cracking sites observed in the simulation are consistent with experimental results. Therefore, the matrix damage in the region where the fiber is arrayed parallel to the loading direction is a key factor in understanding transverse failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites with a strong fiber/matrix interface.     

A different approach for calculation of stress intensity factors in continuous fiber reinforced metal matrix composites

In this paper, a numerical model developed for the analysis of a cylindrical element of matrix containing a single fiber is presented. A ring-shaped crack is assumed at interface of fiber and matrix. Both layers in the model are bonded perfectly with the exception of the crack faces. Contact elements, which have bonded feature, are used between fiber and matrix. Displacement correlation method is used to calculate opening-mode and sliding-mode stress intensity factors. These results obtained from the analysis help to understand the debonding phenomenon between fiber and matrix interface. Effects of the mechanical properties of fiber and matrix on direction of crack propagation are also discussed.     

AUTOMATIC IDENTIFICATION OF MESOSCOPIC PARAMETERS OF DISCRETE ELEMENTS OF SAND MATERIAL 1)

本文依照四川大学某理论力学教学班实际教学改革的经验,通过具体举例说明计算机技术在理论力学教学中尚未开发的巨大潜力,减小数学运算使学生重点关注理论力学基本原理,批量求解使学生提前接触实际应用案例,普适性求解使学生深化对处理多变量问题的认识。同时本文还探讨了理论力学教学改革的方向和目的,即把教学重点放在普适的教学方法上,借助计算机求解多刚体、多变量问题,以期有助于理论力学教材更好地适应时代发展。     

Surface effect and non-local elasticity in wave propagation of functionally graded piezoelectric nano-rod excited to applied voltage

A non-local solution for a functionally graded piezoelectric nano-rod is presented by accounting the surface effect. This solution is used to evaluate the characteristics of the wave propagation in the rod structure. The model is loaded under a two-dimensional (2D) electric potential and an initially applied voltage at the top of the rod. The mechanical and electrical properties are assumed to be variable along the thickness direction of the rod according to the power law. The Hamilton principle is used to derive the governing differential equations of the electromechanical system. The effects of some important parameters such as the applied voltage and gradation of the material properties on the wave characteristics of the rod are studied.