复合材料动态粘弹性能的细观研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了颗粒增强复合材料的动态粘弹性力学性能,分析了材料复模量随夹杂体积分数、载荷频率之间的变化规律,给出了许多有意义的结论,为复合材料结构的优化设计及应用提供了理论基础。     

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

一种颗粒复合材料物理性能计算模型与工程应用

结合傅里叶描述子法与格林函数法提出了任意形状夹杂物的Eshelby张量计算方法,基于分步夹杂法建立了一种具有任意形状颗粒的复合材料物理性能预测理论模型。通过傅里叶描述子法对扫描电镜(SEM)图像中颗粒形貌进行数学表征,构建由多个细观结构参数组合的几何模型;利用格林函数求解夹杂物Eshelby张量,考虑颗粒形态、大小和组分性能,研究细观结构对颗粒复合材料有效性能的影响。在此基础上,设计了一款颗粒复合材料物理性能预测软件。以铜铬合金为研究对象,分析重构的细观模型与预测的结果,并与有限元计算结果进行对比,验证了该计算模型的有效性和可靠性,以及在工程计算应用中的可行性。     

含微裂纹和椭球颗粒介质的强度及本构关系

针对含随机分布微裂纹及椭球颗粒的复合材料，通过考虑椭球颗粒内的本征应变及其与微裂纹的相互作用，利用等效夹杂方法研究了微裂纹损伤对材料有效模量和强度的影响，推导了复合材料的细观应力场及本构关系，并导出了材料破坏的临界条件．     

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。     

近片层γ-TiAl基合金宏观屈服的微观表征

将近片层-γTiAl基合金视为以等轴γ颗粒为基体,PST颗粒为夹杂的两相复合材料,基于细观力学自洽理论,对合金的有效弹性模量及基体和夹杂中的应力和应变场进行了解析分析计算,并结合细观力学的宏细观关联方法,确定了近片层-γTiAl基合金的宏观屈服的微观表征.结果表明:夹杂颗粒中的应力和应变场与外载及夹杂的体积分数f和椭球长细比ρ有关,软取向PST夹杂颗粒的微变形屈服导致近片层-γTiAl基合金材料的整体宏观屈服.     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

基于分形的泡沫金属细观结构与尺寸效应研究

提出采用分形理论对泡沫金属的细观结构及尺寸效应进行研究的方法. 针对一系列具有不同相对密度和细观结构的泡沫铝,证明了其细观结构在一定尺度内符合分形特征,比较了小岛分维、计盒分维和信息分维等算法对泡沫金属分形表征的适用性,分析了细观结构特征对分维的影响. 结合推广的Sierpinski垫片模型研究了泡沫铝的屈服强度与分维的联系,建立了泡沫铝屈服强度的尺寸效应模型. 研究结果表明,由于引入了表征细观结构特征的分形维数,该模型除能表征屈服强度随试样尺寸的变化规律外,还在一定程度上直接反映了泡沫金属细观结构特征对力学性能的影响.      

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计

利用高精度通用单胞模型将复合材料的细观拓扑结构与宏观力学性能结合起来,采用遗传算法对复合材料的细观结构进行优化,发展了基于遗传算法的复合材料细观结构拓扑优化设计方法.以材料的宏观力学性能为优化目标,从随机的初始细观结构出发,对复合材料纤维体积百分比进行约束,经过迭代获得满足设计要求的代表性体积单元.在优化过程中,对遗传算法的交叉过程作了较大的改进,实现了复合材料细观拓扑结构的任意变化,提高了对可行域的搜索效率.分别以极限剪切模量和泊松比为优化目标,验证了所提出优化方法的正确性和有效性.     

A continuum micromechanical theory of overall plasticity for particulate composites including particle size effect

Classical continuum micromechanics cannot predict the particle size dependence of the overall plasticity for composite materials, a simple analytical micromechanical method is proposed in this paper to investigate this size dependence. The matrix material is idealized as a micropolar continuum, an average equivalent inclusion method is advanced and the Mori–Tanaka's method is extended to a micropolar medium to evaluate the effective elastic modulus tensor. The overall plasticity of composites is predicted by a new secant moduli method based on the second order moment of strain and torsion of the matrix in a framework of micropolar theory. The computed results show that the size dependence is more pronounced when the particle's size approaches to the matrix characteristic length, and for large particle sizes, the prediction coincides with that predicted by classical micromechanical models. The method is analytical in nature, and it can capture the particle size dependence on the overall plastic behavior for particulate composites, and the prediction agrees well with the experimental results presented in literature. The proposed model can be considered as a natural extension of the widely used secant moduli method from a heterogeneous Cauchy medium to a micropolar composite.     

Thermomechanical properties of smart composites

The smart composite materials reinforced by SMA show a high performance and special deformation behavior. The thermomechanical constitutive formulas of the composites are derived by means of Eshelby's equivalent inclusion method and Mori-Tanaka's mean field concept. The interaction between the inclusion and crack and toughening mechanism are considered and the energy release rate of a crack in the smart composite is calculated. This work shows that there are the multiple mechanisms contributing to the toughening of the smart composite materials reinforced by SMA.This project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

智能复合材料的热力学特性

由形状记忆合金丝或颗粒增强的智能复合材料具有特殊的力学性能，本文从理论上预测了智能复合材料的热力学特性。利用Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂原理与Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ的平均场理论导出了本构列式和相变条件，揭示了形状记忆合金在弹性介质约束下的相变机理与过程。     

短纤维金属基复合材料应力传递的有限元分析

基于短纤维增强金属基复合材料的单纤维轴对称和三维细观力学模型,利用弹塑性有限元分析方法对该复合材料中基体与纤维间的应力传递进行研究,研究中主要讨论了基体、纤维和界面的力学性能以及纤维位向的变化对应力传递和应力分布的影响。研究表明,复合材料微结构参数的变化将显著影响基体与纤维间的应力传递和复合材料中的应力分布,复合材料设计过程中必须考虑合理的微结构特征。     

一维随机排列非均质颗粒材料结构刚度系数解析式

针对一维情况下随机排列非均质颗粒材料组成的结构,推导了该结构的刚度系数的解析表达式。颗粒材料由随机算法根据颗粒尺寸分布和结构尺寸生成。通过引入相对破碎参数,将颗粒破碎现象定量体现在颗粒尺寸分布函数的变化上,从而使本文提出的解析表达式能够计及颗粒破碎。数值结果说明本文提出表达式的有效性,并体现了颗粒破碎对颗粒结构刚度系数的影响。     

Plastic constitutive behavior of short-fiber/particle reinforced composites

A cylindrical cell model based on continuum theory for plastic constitutive behavior of short-fiber/particle reinforced composites is proposed. The composite is idealized as uniformly distributed periodic arrays of aligned cells, and each cell consists of a cylindrical inclusion surrounded by a plastically deforming matrix. In the analysis, the non-uniform deformation field of the cell is decomposed into the sum of the first order approximate field and the trial additional deformation field. The precise deformation field are determined based on the minimum strain energy principle. Systematic calculation results are presented for the influence of reinforcement volume fraction and shape on the overall mechanical behavior of the composites. The results are in good agreement with the existing finite element analyses and the experimental results. This paper attempts to stimulate the work to get the analytical constitutive relation of short-fiber/particle reinforced composites.     

颗粒增强复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力－应变场．对旋转体和非旋转体颗粒增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算，数值与实验结果对比表明，该方法是有效的、可靠的．分析了颗粒的排列分布、颗粒取向和颗粒的几何形状对有效模量的影响．数值结果表明，颗粒的排列对有效轴向弹性模量影响较大．颗粒的取向和颗粒的形状对有效性能的影响也是显著的     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

钢筋混凝土界面的近场动力学方法

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为.针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的黏结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法.基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面黏结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法.通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验.结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性.