兼具基体蠕变和轻度界面蠕变的复合材料的本构特性

金属基复合材料的基体蠕变特性在一定的温度与应力下表现明显，当界面为非理想并具有粘弹性性质时，其对复合材料的整体蠕变亦有重要影响．本文利用具有非理想界面的复合材料的Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法，研究了既具有基体蠕变又具有界面轻度蠕变的复合材料的本构关系，给出了各微结构参量对复合材料整体蠕变特性的影响     

兼具基体蠕变和轻度界面蠕变的复合材料的本构特性

金属基复合材料的基体蠕变特性在一定的温度与应力下表现明显，当界面为非理想并具有粘弹性性质时，其对复合材料的整体蠕变亦有重要影响．本文利用具有非理想界面的复合材料的Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法，研究了既具有基体蠕变又具有界面轻度蠕变的复合材料的本构关系，给出了各微结构参量对复合材料整体蠕变特性的影响     

界面特性对短纤维金属基复合材料蠕变行为的影响

基于短纤维增强金属基复合材料(MMC)的单纤维三维模型(三相)，利用粘弹性有限元分析方法对影响金属基复合材料的蠕变行为的因素进行了较为系统的分析。研究中主要讨论了界面特性和纤维取向角对金属基复合材料的蠕变性能的影响。研究结果发现，界面特性诸如厚度、模量和应力指数都对纤维最大轴应力和稳定蠕变率产生影响：稳态蠕变率随界面模量的增大而逐渐减小，当高于基体模量时基本保持不变；纤维轴应力的变化与蠕变率正好相反。稳态蠕变率随界面厚度、应力指数的增加而增大；而轴应力则随之减小。同时不同的纤维取向也影响金属基复合材料蠕变时的轴应力分布和稳态蠕变率。     

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。     

金属基复合材料的蠕变与松弛

本文利用微观力学方法研究了金属基复合材料的常温蠕变和应力松弛,连续纤维在弹性粘塑性基体内单向铺设。本文的结果与实验结果符合较好。研究表明,纤维在轴向对基体的蠕变起到明显阻止作用,而在横向和剪切变形下的作用较小。在低应力水平下,复合材料的蠕变变形很小,在高应力水平时,蠕变变形明显甚至引起蠕变破坏。     

内聚力界面单元与复合材料的界面损伤分析

推导了一种基于内聚力模型无厚的界面单元,用来模拟复合材料纤维与基体之间的界面层．研究了纤维周期分布的复合材料受横向荷载时,在界面不同的强韧性条件下其界面损伤演化的规律和对复合材料整体性质的影响     

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。     

热障涂层界面微区域热蠕变应力演化分析

热障涂层热循环载荷下不同界面层蠕变特性是影响界面微区域残余应力变化的关键因素,探究热障涂层蠕变与残余应力的关系有助于提高热障涂层的稳定性。以热弹塑蠕变理论为依据,采用Norton蠕变模型,建立陶瓷层、氧化层、粘接层和基体四层几何分析模型,考虑不同层蠕变和蠕变程度因素,研究热循环载荷作用下涂层界面微区域应力演化规律。结果表明,蠕变参数和蠕变层数的变化影响热障涂层界面残余应力的大小和分布,这对预测热障涂层失效具有指导意义。     

纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.      

INVESTIGATION ON FATIGUE HYSTERESIS LOOPS MODELS OF FIBRE-REINFORCED CERAMIC-MATRIX COMPOSITES

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.     

用广义胞元法研究弱界面复合材料偏轴拉伸强度

本文用广义胞元法结合应力集中系数模型，从细观、宏观力学结合的角度，预测了弱界面复合材料偏轴拉伸强度值．用广义胞元法/高精度广义胞元法计算复合材料开裂前和开裂后的应力场，引入基体应力集中系数以得到基体真实应力．在计算真实应力时根据宏观试验现象考量是否对界面开裂后的复合材料进行刚度衰减，最终形成4种方案计算出复合材料的偏轴拉伸强度．通过对比芳纶纤维和亚麻纤维两种弱界面复合材料的偏轴拉伸强度试验值，找到了最可靠的预报方案并具有良好的预报精度．     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、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.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理,按剪滞理论和应变理化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态,讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式。按最大剪应力强度理论建立了纤维／基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系。     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

高温环境下纤维复合材料蠕变损伤的细观机理研究

首先利用复合材料纤维断裂单胞模型，编制蠕变损伤子程序，对单胞模型进行蠕变损伤分析。分析了纤维／基体弹性模量比对蠕变变形、蠕变损伤以及应力场的影响。从计算结果发现，蠕变损伤首先在纤维断裂尖端起始，然后沿着一定的角度向基体外围延伸，直至完全损伤，而且纤维／基体模量比对高温环境下的复合材料蠕变损伤产生很大的影响；纤维与基体的模量相差越大，复合材料越容易变形，抵抗蠕变变形的能力就越小，蠕变损伤越严重。经过对不同韧性的基体材料进行研究，发现基体韧性低的复合材料蠕变损伤明显高于高韧性基体复合材料，表明低韧性基体复合材料抵抗蠕变破坏的能力较低。     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

金属基复合材料的强度与损伤分析

用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMC)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G-T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMC在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系.     

单向复合材料的破坏机理——纤维、基体和界面状况对强度的影响

混合律方程所给出的单向复合材料的纵向强度,几乎只取决于纤维的强度和含量,不总是与实验结果相符合。实际上,在纵向应力作用下复合材料的破坏,有一个从初始的局部损伤,发展到最终的整体破坏的过程。不同的损伤发展形式和过程,直接影响到纤维承载能力的发挥。损伤发展形式和过程,又是依据纤维、基体性能和组合状况的不同而不同。因此,单向复合材料的纵向强度就不是简单地仅取决于纤维的强度和含量,还与纤维的其他性能、基体性能和界面粘接强度等有着密切的关系。本文详细分析了单向复合材料纵向拉伸破坏机理,並通过实验证实了上述结论。     

纤维复合材料的弹粘塑性行为体分比与应变率的影响

利用微观力学方法研究了纤维增复合材料的弹塑性行为，着重分析了纤维体分比和加载应变率对以金属基为主的复合材料应力－应变关系的影响。给出了不同体分比的Ｇｒａｐｈｉｔｅ／Ｔｉｔａｎｉｕｍ复合材料在不同常应变率下的应力－应变关系曲线，对这两种因素的影响进行了比较分析。     

SMA复合材料在热载条件下的残余应力分析

本文基于三相复合圆柱模型发展了增量型的分析方法,讨论在ＳＭＡ复合材料中由于ＳＭＡ材料相变以及各相材料热特性随温度变化引起的残余应力。研究基体与过渡恸介面和纤维与过渡界面间的残余应力,同时讨论由于基体相的变化对残余应力的影响。特别研究了涂层和复合材料基体间界面处的残余应力受纤维体积比、涂层厚度、纤维最大相变应以及基体中纤维取向等影响,而且讨论了计及应力对相就运动方程的影响时对ＳＭＡ复合材料相变温度和