碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制:碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.      

ARCJET ABLATION EXPERIMENT TO SIMULATE THE CHELYABINSK ASTEROID ENTRY 1)

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.     

烧蚀模式激光推进的数值模拟

采用针对高温气体（等离子体）电离度的一种近似计算方法，以及具有五阶精度的广义Godunov差分格式-加权本质无振荡格式WENO（weighted essentially non-oscillatory schemes），给出了高温气体状态方程的简便描述，并考虑激光与等离子体的相互作用，模拟了强激光与固体靶相互作用时激光支持靶面等离子体流场的动态物理过程，并给出了不同参数条件下激光烧蚀固体靶的推进效应参数（冲量耦合系数等）。计算结果及与实验结果的对比表明，靶材料和激光参数（功率密度、波长、脉冲宽度等）是影响推进效应的主要因素，并且计算结果具有较高的精确度。     

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。     

蜂蜡球锥的驻点烧蚀研究

1.引言 飞行器再入大气层时受热情况严重,表面要发生严重的烧蚀,外形要发生显著的变化,驻点的烧蚀更为严重。这一烧蚀过程能否由蜂蜡这种低温液态层材料在高超音速风洞中再现,能否通过对蜂蜡球锥的驻点烧蚀研究为液态层材料的烧蚀图象形成机理和发展规律提供依据,为两相流问题的理论研究提供实验资料,这便是我们进行蜂蜡球锥驻点烧蚀研究的目的。     

Ni3Al基自润滑复合材料摩擦学性能的研究

采用真空热压烧结方法制备了Ni3Al基自润滑复合材料,通过HT-1000型球盘式高温摩擦仪分别测试了不同条件下Ni3Al基自润滑复合材料的摩擦磨损性能.结果表明：复合材料在20～1 000℃均具有良好的自润滑性能,其摩擦系数在0.24～0.43之间.研究发现复合材料在低载（5 N、滑动速度为0.2 m/s）低温（20～400℃）下具有最低的摩擦系数（0.24～0.29）,但在低载高温下（600℃以上）摩擦系数较高（0.39～0.41）;而在高载（20 N）时在整个温度测试区间（20～1 000℃）拥有低而稳定的摩擦系数（0.28～0.31）.Ni3Al基自润滑材料优异的高温摩擦学性能归因于高温下材料摩擦表面形成的银、氟化物、氧化物以及钼酸盐等低剪切化合物的协同润滑作用.     

1981年国际力学会议预告(二则)

1.1981年5月18日至21日,将在加拿大渥太华Carleton 大学举行"国际有关结构介质力学性能讨论会".内容包括纤维加强材料,木材和纤维材料,混凝土的蠕变和断裂,多孔弹性材料,饱含液体材料,冰和 ...     

应用格形模型和统计方法分析两相材料宏观等效力学性质

采用格形模型和统计方法分析了三维两相材料的宏观等效力学性质。首先建立了两相非均匀材料的力学模型和相应的格形有限元分析.在后利用该方法针对六种两相材料模型,分别分析了材料体积比、不同空间分布和材料物理性质分布对两相材料宏观力学性质的影响。由于使用了三维非均匀模型和自适应载荷步长的加载技术,该方法可以较好地模拟材料在准静态加载条件下的破坏全过程,所得结果可以为颗粒（或短纤维）增强复合材料的力学性质及其设计提供参考依据。     

增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

采用热压烧结法制备纤维增强陶瓷基摩擦材料,研究了钢纤维、钢纤维/莫来石纤维、莫来石纤维、钢纤维/硅酸铝纤维以及硅酸铝纤维增强陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性.研究结果表明:不同纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦系数的影响较为复杂.相比较添加单一纤维增强摩擦材料的情况,钢纤维增强的试样具有较好的耐磨性能,其次为莫来石纤维增强的试样,硅酸铝纤维增强的试样表现出最差的耐磨性能,钢纤维/莫来石纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强试样的磨损均低于相应的陶瓷纤维增强的试样;在高温下以莫来石纤维增强的试样,其磨损形式以磨粒磨损为主,而以硅酸铝纤维和钢纤维/硅酸铝纤维增强的试样的主要磨损形式为黏着磨损,钢纤维和钢纤维/莫来石纤维增强的试样的磨损属于磨粒磨损和黏着磨损.     

高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用?100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明:高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

Simulation of fiber reinforced composite materials mold filling process and mechanical properties analysis

A dynamic simulation of fiber reinforced composite materials mold filling process with double inlets is presented based on the gas–solid–liquid model proposed by Yang et al. [B.X. Yang, J. Ouyang, J. Tao, C.T. Liu, Modeling and simulation of fiber reinforced polymer mold filling process by level set method, CMES – Computer Modeling in Engineering and Sciences 63 (3) (2010) 191–222]. Numerical results show that the fibers far away from the melt interface are in skin-core-skin structure, while those near the interface are almost parallel to the arc of the interface. When the two streams of melts meet, the weld line will be formed, where the orientation of fibers is perpendicular to the flow direction. The orientation of fibers of the numerical result shows well agreement with the experimental results. Finally, the mechanical properties of fiber reinforced composite materials are analyzed. The composite materials with skin-core-skin structure are regarded as laminated orthogonal plywood and the elastic modulus, the shear modulus and Poisson’s ratio are predicted under different slenderness ratios and fiber volume fractions.     

材料高温力学性能理论表征方法研究进展

随着科学技术的迅猛发展,材料在高温领域的应用越来越广泛。然而高温下材料的力学性能和常温相比有很大差异,材料的高温力学性能研究和表征已成为当前的研究热点。论文文对材料在高温下力学行为理论表征方法研究的最新进展进行了总结和回顾。着重介绍了近年来高温陶瓷材料的断裂强度、金属材料的屈服强度、弹性模量与本构关系的温度相关性理论表征方法的研究进展。最后,总结已有研究工作的特点和不足之处,对材料高温力学性能理论表征方法的后续研究进行了展望,就进一步研究提供建议。     

火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型

为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型.此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为.并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程.最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性.     

碳纤维长度与取向对纸基摩擦材料热负荷及摩擦学性能影响

采用湿法成型工艺制备了碳纤维长度为0.1~12 mm的5种碳纤维增强纸基摩擦材料.采用梯度能量试验方法测试了所制备材料承载热负荷的能力以及在各级能量负荷条件下的摩擦磨损性能.借助扫描电镜及热导率测试仪,研究了材料承载热负荷的机理.结果表明:碳纤维长度与取向对材料的热负荷及摩擦学性能有显著影响;当碳纤维长度为6 mm时,材料承载热负荷的能力最高;长度为3~12 mm的碳纤维能够在摩擦面形成稳固的框架结构,使材料在不同能量负荷条件下保持稳定的摩擦磨损性能;纤维长度对碳纤维在材料中的排列取向有直接影响,垂直于摩擦面排列的碳纤维能够显著提高材料的热导率并降低材料所承受的最大功率密度.     

复合纤维增强混凝土阻尼测试装置开发与试验研究

纤维与聚合物的掺入可以明显改善混凝土材料的阻尼性能。本文首先给出了正弦交变激励下粘弹性材料三点弯曲梁阻尼特性关系,其次首次自主开发了大尺寸材料的阻尼性能测试装置,然后利用开发的装置在频率(0.5~2.0Hz)条件下测定了6种不同配比复合纤维增强阻尼混凝土的损耗因子与储存模量,最后对纤维的阻尼增强机理进行了初步探讨。试验结果表明:复合纤维增强阻尼混凝土与素混凝土相比,提高了混凝土的损耗因子80%~200%。主要原因是聚合物分子在外力作用下的内耗增加了普通混凝土的阻尼能力,而纤维的阻尼增强机理在于纤维的掺入增加了纤维与水泥基材的界面摩擦力。     

不同温度下2种钨结构增强Zr基非晶合金的动态压缩性能

利用SHPB装置对钨丝增强Zr基非晶复合材料和钨骨架增强Zr基非晶复合材料进行了3种环境温度下多种应变率的动态压缩性能测试。比较了2种材料的动态力学性能,发现二者均具有应变率敏感性和较强的塑性变形能力。但二者承载机制存在较大差异。钨丝增强结构变形主要表现在钨丝的失稳,由数值模拟初步分析了这种局部结构失稳控制的变形以及热失稳现象;钨骨架增强结构变形前期钨骨架起主要承载作用,而不是各成分的共同作用,这导致材料的屈服强度比纯非晶和纯钨的低。     

新型混凝土桥面铺装材料的冲击力学性能

利用大尺寸Hopkinson压杆对新型混凝土桥面铺装材料钢纤维增强聚合物改性混凝土（steel fiber reinforced and polymer modified concrete,SFRPMC）进行了冲击实验,并且在相同基准配合比下,与普通混凝土、钢纤维混凝土的冲击性能进行了对比。观察了不同打击速度下三种材料的破坏形态,得到了在不同应变率下的应力应变关系,比较了三种材料的应变率敏感性,最后从机理上分析了掺加钢纤维和聚合物对混凝土材料冲击力学性能的影响。结果表明,钢纤维增强聚合物改性混凝土材料具有良好的冲击韧性,是一种理想的混凝土桥面铺装材料。