金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC／Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系;在此基础上,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体—夹杂界面的应力集中因子的影响．所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值。     

含界面相复合材料热残余应力分析

本文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布。针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,结果表明梯度界面降低了残余应力。通过碳纤维电阻法测出T300/环氧树脂单丝体系固化后的纤维轴向应变,与梯度界面的分析结果基本一致。用叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互偶合的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果相互验证。     

增强相形态对复合材料微区力学状态影响的有限元分析

采用三维有限元方法模拟了非连续增强金属基复合材料的应力场，得到了不同长径比的椭球形增强体周围的最大主应力场和应力球张量场的分布，分析了增强体长径比对非连续增强金属基复合材料的应力场、应力集中、界面应力过渡及材料内部最危险位置的影响。与仅适用于稀疏夹杂的Eshelby单夹杂模型相比，本文模型(体积分数约为20％—60％)与工程实际更加接近，所得的椭球状增强体内部应力分布并不均匀的计算结果与Eshelby的经典解析解有所不同。     

三维网络结构增强复合材料磨损模型的研究

考虑网络结构增强体特殊的拓扑结构因素和弹性模量影响,利用复合材料磨损率最小化和最大化假设,建立了网络结构增强复合材料的磨损模型,同时制备了不同体积分数的Si3N4陶瓷增强Al-Mg合金复合材料,并将其磨损试验结果数据拟合到模型中.结果表明,所建立的模型可以反映复合材料增强相的体积分数、复合材料的弹性模量和磨损率之间的数学关系,证明复合材料的摩擦磨损率随增强相体积分数的增加而逐渐降低,当体积分数超过45%～50%时,磨损率随增强相体积分数的增加而逐渐增大.该模型不同于Khruschov模型和Zum-Gahr 模型,其关系不遵循线性规则.与增强体复合材料的磨损试验数据拟合表明,该模型能够较好地反映网络结构增强复合材料的磨损性能,具有一定普遍性.     

流体力学两种格式能量守恒比较

Lagrange系统下的非定常流体力学数值方法中，使用非守恒型能量方程获得的总能量(内能与动能之和)的误差大小是鉴别一种格式好坏的重要标志之一．讨论在校坐标系下两种有限元方法的离散格式及其能量守恒性．一种是采用由因子γ^-1来加权插值基函数的Galerkin有限元方法，即面平均格式；另一种是直接加权插值基函数的Galerkin有限元方法，即体平均格式．误差分析表明体平均格式具有较小的能量守恒误差，数值计算结果也显示出体平均格式能量守恒误差比面平均格式明显小．     

炭黑增强橡胶复合材料力学行为的三维数值模拟

本文基于炭黑填充橡胶复合材料具有周期性细观结构的假设,采用一种新的、改进的随机序列吸附算法建立了三维多球颗粒随机分布式代表性体积单元,并通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的力学行为进行了模拟仿真。研究结果表明：采用改进的随机序列吸附算法所建立的模型更加便于有限元离散化;模拟中周期性边界条件的约束,使其更加符合实际约束的真实情况;炭黑填充橡胶复合材料的有效模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;通过比较发现,本文提出的多球颗粒随机分布式三维数值模型对复合材料的应力-应变行为和有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合良好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

SiCp/Al复合材料增强颗粒尺寸效应的细观分析

运用Voronoi方法建立了反映金属基颗粒增强复合材料(MMCp)微结构的多晶集合体代表性单元(RVE);采用Taylor关系推导了包含颗粒结构尺寸和体积分数参数的位错滑移硬化函数;建立了由300个平均粒度约为20μm的晶粒组成的多晶集合体代表性单元,并对MMCp3.5-5、MMCp3.5-10、MMCp10-5、MMCp10-10四种具有不同粒径和体积分数的铝基SiC颗粒增强复合材料在宏观均匀变形条件下的应力应变响应进行了数值模拟。计算结果表明:复合材料的应力应变模拟曲线与试验曲线吻合得较好,说明所推导的模型和硬化模式能够合理地描述颗粒增强尺度效应的变化趋势;多晶体模型也能够合理地表现复合材料内部应力应变在空间分布上的细观不均匀性。数值模拟结果反映了颗粒增强区承载着较大的载荷份额,而非颗粒存在区(基体)则承受着高达18%的应变,在两个区域的交界处出现了高达310MPa的应力集中,与已有文献试验观测的结果比较吻合。     

含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证

论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象,发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤,分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型;建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型,通过开展不同能量冲击后压缩试验,验证了所发展的数值分析方法的有效性;研究结果表明,采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．     

碳纤维的长度与取向对聚醚醚酮基复合材料摩擦磨损性能的影响

为了制备性能优异的聚醚醚酮(PEEK)基自润滑耐磨材料，本文作者通过挤出、注塑成型制备了碳纤维(CF)填充PEEK/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料，研究了CF的含量、长度及其在复合材料中的取向对复合材料摩擦磨损性能的影响，采用扫描电子显微镜观察了磨痕的微观形貌，并分析了磨损机理. 研究结果表明:复合材料的平均摩擦系数和体积磨损率随CF添加量的增大均呈现先降低后升高的趋势. 当添加的CF质量分数大于10%时，长CF所填充复合材料的平均摩擦系数明显低于短CF填充复合材料. 当固定CF质量分数为10%时，复合材料在不同CF取向方向上的滑动摩擦磨损行为存在较大差异:X向(熔体流动方向)上滑动时，滑动方向与CF取向排列方向一致，平均摩擦系数较低，但体积磨损率较高；在Y滑动方向上(X的垂直方向)滑动时，平均摩擦系数较高，但体积磨损率较低.      

颗粒增强复合材料有效弹性模量预测的多步法

提出了一种用于预测颗粒增强复合材料有效弹性模量的多步法.将基体与部分颗粒均质化为一种混合物,计算得到其力学性能后再当成新的基体,如此反复,直到计算出复合材料的有效模量.利用四种多步法计算了不同填充分数和不同模量比复合材料的有效弹性模量,并与全尺寸有限元计算结果进行了对比.结果显示,低体积分数下多步法结果与有限元模型计算结果误差较小,并随着体积分数的提高而增大,其中FEM-FEM法精度最高.有限元多步法可有效解决因复合材料填充比高、颗粒尺寸相差大而造成的计算模型过大等困难,可在一定精度要求下代替全尺寸有限元预测复合材料有效性能.     

炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘单向拉伸力学行为研究

利用岛津万能试验机对天然橡胶与丁苯橡胶共混的胶料(NSBR)进行常温下多步松弛循环加卸载试验,拟合材料参数。通过电镜实验观察复合材料截面,发现炭黑体积分数较大时,炭黑颗粒存在聚集现象。建立了圆形炭黑颗粒增强橡胶复合材料二维多颗粒随机分布RVE模型,并运用ABAQUS软件对炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘和颗粒聚集行为进行仿真。对比不同体积分数和不同粒径分布形态等情况下单轴拉伸的宏观力学响应,结果表明:炭黑体积分数越大,炭黑增强橡胶界面开始发生脱粘的应变越小,越容易发生脱粘。针对炭黑的不同聚集程度,并考虑颗粒的界面脱粘,发现考虑颗粒聚集的模型应力集中程度更高,更容易发生脱粘。因此,炭黑体积分数越高,越不能忽略颗粒与基体的界面脱粘以及炭黑颗粒团聚。     

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。     

复合材料粘聚区模型的强度参数预测

提出了一种基于周期性代表性单元（RVE）的细观模型,用于预测粘聚区模型的强度参数,以提高基于粘聚区模型的有限元法模拟复合材料分层的精度。模型从复合材料的细观结构出发,采用最大主应力准则判断粘聚层的初始裂纹的萌生,从而建立了粘聚强度与基体强度的关系;并以宏观正交各向异性为假设条件,确定了RVE的周期性位移边界条件。用该模型预测了AS4/PEEK和T700/QY8911层合板不同铺层间的粘聚强度。采用所预测的粘聚强度值对混合模式弯曲（MMB）和六点弯曲试验进行了仿真,仿真结果与实验值具有较好的一致性。     

基于拓扑描述函数的特定性能复合材料设计

提出了一种基于拓扑描述函数进行特定性能复合材料设计的新方法. 采用拓扑描 述函数作为设计变量，把复合材料微结构的设计问题转化为一个在周期性单胞上的拓扑优 化问题. 拓扑描述函数以及相应正则化机制的引入不仅可以有效消除棋盘格式等数值不稳定 现象，而且能够有效地抑制传统算法处理此类优化问题时所引发的边界扩散效应. 数值结果 表明所提出的方法可以稳定高效地实现具有特定性能的复合材料微结构设计.     

考虑粒子分布特征的复合材料细观力学方法

研究了颗粒增强复合材料中颗粒增强体粒径分布对复合材料力学性能的影响,利用分形思想将增强粒子的概率分布特征考虑进来,对已有的复合材料细观力学等效夹杂方法进行修正,建立了一个考虑粒子统计分布的细观等效力方法.以混凝土为例,分析了颗粒增强体体积含量、夹杂与基体的模量比和分形结构的分辨率对复合材料力学性能的影响.结果表明,这种新方法能够适用于分析颗粒增强复合材料的细观结构对力学性能的影响.     

非协调元在复合材料安定下限分析中的应用

采用应力函数法,结合均匀化理论和应变法,在细观层次上研究了复合材料的极限和安定分析,获取复合材料代表性体积元在载荷加载历史未知下的容许承载域。利用8节点非协调等参元离散结构,获取弹性应力场和自平衡残余应力场,建立复合材料在细观层次上安定下限的优化格式。在满足计算精度的同时,大大降低了优化规模。以周期性纤维增强金属基复合材料为例,验证了该单元在安定下限分析中的有效性和可靠性。     

基于均匀化方法的单向纤维增强体渗透率预报

针对具有周期性分布细观结构的纤维增强体，从Stokes方程出发，用均匀化理论建立了预报纤维预制体渗透率的数学模型. 将Stokes方程与线弹性力学中的Lame方程进行类比，给出了用线弹性平面应变问题的有限元分析程序求解Stokes方程的方法. 据该方法编写了FORTRAN程序HAPS求解控制方程，并以此预报单向纤维增强体渗透率，与有关文献的结果进行比较证明了该方法的合理性.     

空间结构增强铜基复合材料的摩擦磨损特征

为实现铜基复合材料性能的有效调控，采用激光选区熔化成形制备了单元尺寸分别为5.00、3.75、2.75、1.75和0.75 mm的18Ni300空间结构增强体，然后在挤压铸造条件获得了具有不同增强体分布的18Ni300空间结构增强铜基复合材料. 研究了复合材料的微观组织、硬度、摩擦磨损性能和磨损表面形貌. 结果表明:随着空间结构单元尺寸的减小，复合材料增强体体积分数不断增加，硬度和耐磨性提高. 结构单元尺寸为0.75 mm时，复合材料增强体体积分数为13.35%，硬度达到HBW120，为铜基体硬度的1.71倍；载荷40 N、线速度0.75 m/s、磨损时间25 min 条件下的体积磨损量为35.4 mm3，比铜基体磨损量降低58%. 由于增强体的作用，复合材料的磨损机制由纯铜的黏着磨损转变为磨粒磨损.      

考虑碳纳米管非均匀分布的复合材料电导率计算

碳纳米管作为导电相在机敏复合材料中广泛应用，但碳纳米管为团簇材料，在基体中很难均匀分散。本文考虑碳纳米管的非均匀分布特性，提出了计算碳纳米管复合材料电导率的数值方法。通过引入随机谐和函数，建立了碳纳米管体积分数的三维随机场模型。基于细观力学的有效介质理论、Mori-Tanaka方法和H-S界限理论，考虑碳纳米管之间的隧穿效应，发展了复合材料微小体积单元的电导率计算方法。在此基础上，构建了考虑碳纳米管非均匀分布的复合材料等效电导率三维有限元计算模型。数值分析结果与试验值能够很好吻合，表明这一方法可以准确计算碳纳米管复合材料的电导率。本文进一步分析了碳纳米管非均匀分布对复合材料电导率的影响。     

混杂短纤维增强复合材料弹性模量预测

在现代工程结构中，纤维增强复合材料具有较高的刚度重量比、优异的耐久性和设计灵活性等优点，因此得到了广泛应用．本文结合细观力学中的Mori-Tanaka方法和Halpin-Tsai方法推导了混杂碳纤维和玻璃纤维增强复合材料有效弹性模量的解析表达式．通过引入参数λ，提出了计算随机方向混合纤维增强复合材料弹性模量的新模型，分析了纤维长径比和体积分数对复合材料弹性模量的影响．结果表明，复合材料的弹性性能对纤维长径比和体积分数非常敏感．根据提出的理论，混杂纤维增强复合材料的弹性模量处于单一纤维（纯碳纤维或纯玻璃纤维）增强复合材料弹性模量之间．对于单一纤维增强复合材料，采用Halpin-Tsai方法计算的复合材料弹性模量高于Mori-Tanaka方法计算结果．