2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

2D机织陶瓷基复合材料应力-应变行为

本文将2D机织结构简化为串联的(0°/90°)_S和(90°/0°)_S正交铺层结构,在单轴拉伸载荷作用下采用能量变分法,得到开裂的(0°/90°)_S和(90°/0°)_S正交铺层结构中各层的应力分布及90°层裂纹密度与施加应力之间的变化关系;基于随机的基体裂纹演化理论、随机的纤维损伤和最终失效理论,得到了拉伸载荷作用下正交铺层中0°层的应力-应变关系,进而得到了0°层的切线拉仲模量与作用于0°层的托伸应力之间的变化关系,将0°层的切线拉伸模量代入正交铺层结构的能量变分分析中,得到2D机织陶瓷基复合材料的拉伸应力-应变关系,理论结果与试验结果吻合良好.     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

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。     

纤维增强陶瓷基复合材料的D失效判据

经典唯象强度理论适用于正交各向异性线弹性体。对于非线性纤维增强复合材料,通过加卸载试验和损伤力学的分析方法,可以得到一种虚拟的线性化应力-应变关系;依据损伤等效假设,针对线性损伤和非线性损伤,对基于应力的经典二次失效准则进行变换,建立了一种基于损伤的强度理论,即“D失效判据”,这一强度理论可以作为经典判据的补充和扩展。针对平纹编织C/SiC复合材料的拉/剪组合试验,进行了实例计算,结果表明：利用D失效判据预测的失效包络线比蔡-希尔准则的预测曲线低,而且,失效曲线的形式与材料的损伤演化规律相关。     

二维平纹编织复合材料压缩力学行为研究

通过对二维平纹编织复合材料压缩力学性能进行三维有限元计算,对复合材料在沿垂直于编织平面方向和纤维束方向压缩后的微观应力场进行了分析。对于沿垂直于编织平面方向的压缩(即横向压缩),发现在经纬向纤维束相互交替处基体材料的横向压应力最大,是其薄弱部位。分析表明,与0°/90°层合板相比,编织复合材料受到横向压缩载荷时,自由边界处层间剪应力较大,容易发生层间裂纹,与实验观察相吻合。通过改变纤维束截面尺寸和纤维束之间间隙大小研究了破坏面角度的变化。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型，引入周期性位移边界条件，采用 细观非线性有限元方法，建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系，采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型，并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化，模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好，证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响，结果表明：随着编织角增大，纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

多层复合壳体三维振动分析的谱-微分求积混合法

对于较厚的多层复合壳体,其振动位移沿厚度方向呈锯齿形变化且层间剪切和拉、压应力呈三维耦合状态,采用传统的等效单层理论分析已不能满足精度要求.建立不受结构厚度、铺层材料性质和铺层方式限制的三维分析方法具有重要的研究价值.本文以独立铺层为建模对象,结合广义谱方法与微分求积技术建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的多层复合壳体三维分析新方法——谱-微分求积混合法.该方法应用三维弹性理论对独立铺层进行精确建模,有效克服了二维简化理论对横向变形以及层间应力估计不确切的缺点;引入微分求积技术对铺层进行数值离散,将三维偏微分问题转化为二维偏微分问题,降低了求解维度和难度;应用广义谱方法近似地表述离散计算面上的场变量,将获取的二维偏微分方程转化为以场变量谱展开系数为未知量的线性代数方程组,避免了对超越方程的求解.数值验证结果表明该方法收敛性好,计算精度高.     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

多层复合壳体三维振动分析的谱——微分求积混合法

对于较厚的多层复合壳体,其振动位移沿厚度方向呈锯齿形变化且层间剪切和拉、压应力呈三维耦合状态,采用传统的等效单层理论分析已不能满足精度要求. 建立不受结构厚度、铺层材料性质和铺层方式限制的三维分析方法具有重要的研究价值. 本文以独立铺层为建模对象,结合广义谱方法与微分求积技术建立了一种适用一般边界条件和铺层方式的多层复合壳体三维分析新方法——谱--微分求积混合法. 该方法应用三维弹性理论对独立铺层进行精确建模,有效克服了二维简化理论对横向变形以及层间应力估计不确切的缺点;引入微分求积技术对铺层进行数值离散,将三维偏微分问题转化为二维偏微分问题,降低了求解维度和难度;应用广义谱方法近似地表述离散计算面上的场变量,将获取的二维偏微分方程转化为以场变量谱展开系数为未知量的线性代数方程组,避免了对超越方程的求解. 数值验证结果表明该方法收敛性好,计算精度高.      

热环境中旋转运动功能梯度圆板的强非线性固有振动

研究热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性固有振动问题．针对金属－陶瓷功能梯度圆板,考虑几何非线性、材料物理属性参数随温度变化以及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况,应用哈密顿原理推得热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性振动微分方程．考虑周边夹支边界条件,利用伽辽金法得到了横向非线性固有振动方程,并确定了静载荷引起的静挠度．用改进的多尺度法求解强非线性方程,得出非线性固有频率表达式．通过算例,分析了旋转运动功能梯度圆板固有频率随转速、温度等参量的变化情况．结果表明,非线性固有频率随金属含量的增加而降低;随转速和圆板厚度的增大而升高;随功能梯度圆板表面温度的升高而降低．     

Theoretical prediction of stiffness and strength of three-dimensional and four-directional braided composites

Based on unit cell model, the 3D 4-directional braided composites can be simplified as unidirectional composites with different local axial coordinate system and the compliance matrix of unidirectional composites can be defined utilizing the bridge model. The total stiffness matrix of braided composites can be obtained by the volume average stiffness of unidirectional composites with different local axial coordinate system and the engineering elastic constants of braided composites were computed further. Based on the iso-strain assumption and the bridge model, the stress distribution of fiber bundle and matrix of different unidirectional composites can be determined and the tensile strength of 3D 4-directional braided composites was predicted by means of the Hoffman＇s failure criterion for the fiber bundle and Mises＇ failure criterion for the matrix.     

Micromechanics of fabric reinforced composites with periodic microstructure

A model to predict the effective stiffness of woven fabric composite materials is presented. Taking advantage of the inherent periodicity of woven fabric architecture, periodic microstructure theory is used at the mesoscale for the case of a two-phase heterogeneous material with multiple periodic inclusions. For plain weave fabrics, the representative volume element (RVE) is discretized into fiber/matrix bundles and the pure matrix regions that surround them. The surfaces of the fiber/matrix bundles are fit with sinusoidal equations using two approaches. The first is based on measurements taken from photomicrographs of composite specimens and the second is based on an idealized representation of the plain weave structure. Three-dimensional sinusoidal surfaces are generated from the face equations and weave shape for the real and idealized cases in order to mathematically describe the fiber/matrix bundle regions, which are treated as unidirectional composites. Model results from the idealized geometry are compared to experimental data from the literature and show good agreement, including interlaminar material properties. From a comparison of the real and idealized geometry results for similar material RVE dimensions, it is seen that the model is capable of predicting significant changes in the in-plane material properties from slight mismatch in the fiber/matrix bundle shape and crimp, which can be captured using the geometric surfaces generated from photomicrograph measurements.     

ELASTIC BEHAVIOR ANALYSIS OF 3D ANGLE-INTERLOCK WOVEN CERAMIC COMPOSITES

A micromechanical model for elastic behavior analysis of angle-interlock woven ceramic composites is proposed in this paper. This model takes into account the actual fabric structure by considering the fiber undulation and continuity in space, the cavities between adjacent yarns and the actual cross-section geometry of the yarn. Based on the laminate theory, the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites are predicted. Different numbers of interlaced wefts have almost the same elastic moduli. The thickness of ceramic matrix has little effect on elastic moduli. When the undulation ratio increases longitudinal modulus decreases and the other Young's moduli increase. Good agreement between theoretical predictions and experimental results demonstrates the feasibility of the proposed model in analyzing the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites. The results of this paper verify the fact that the method of analyzing polyester matrix composites is suitable for woven ceramic composites.     

倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料的细观力学模型

利用平均化方法提出了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料弹性性能分析的三维细观力学模型,对材料的弹性性能进行了预测。这个力学模型考虑了倾斜内锁型三维机织陶瓷基复合材料经向纤维束的弯曲和纬向纤维束的平直,纤维束的横截面形状尺寸和相邻纤维束之间的孔洞以及材料制造过程中碳纤维性能下降对弹性性能的影响。基于层合板理论,提出两种单胞应变状态假设分别对材料的九个弹性常数进行了推导计算,结果表明两种方法理论的预测值非常接近。计算结果与实验值比较吻合,表明所提出的细观力学模型是合理的,可以为纺织陶瓷基复合材料的优化设计提供有价值的参考。     

Response of 3-D and Plain-Weave S-2 Glass Composites in Out-of-Plane Tension and Shear

An extensive suite of experiments was conducted to characterize the mechanical response of an S-2 glass composite. The primary interest was the response of a 3-D composite, consisting of unidirectional (non-woven) layers of glass fibers interlaced by through-thickness Z-yarns. A plain-weave material was also characterized for comparison purposes. Additionally, epoxy-only specimens were fabricated to assist in understanding the contribution of the SC-15 epoxy resin in the response of the composite system. Two new specimen geometries (torsion and hourglass) were developed specifically for this characterization effort. The response of these specimens provides considerable insight into the failure mechanics of the plain weave and 3-D weave composites. It was shown that the matrix material has an elastic-plastic response, but with different strengths in tension and torsion. The response of the composite in tension is controlled by the epoxy until failure at the glass-resin interface. The strength falls to zero for the plain-weave composite, but the Z-yarns can support tensile stress until the yarns begin to fail. The fibers contribute to the elastic stiffness in shear for the plain-weave material, but the failure strength in shear is the same as the matrix. The 3-D weave composite also fails at the failure strength of the matrix, but retains some shear strength because of the Z-yarns.     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料，进行了一系列静/动态拉伸试验，利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变，精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明，纤维增强方向在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N，变化后的E_changed分别为初始弹性模量E_initial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率（10?3、10、102 s?1）拉伸情况下，纤维增强的方向1上强度最高（分别为608、967、1 123 MPa），方向2强度最低（分别为75、67、58 MPa），方向3强度较低（分别为90、151、221 MPa）。利用高速摄影与DIC相结合的方法，获得了100 s?1应变率下，不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数（方向1～3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099），可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

基体的真实应力理论

连续介质力学中,各向同性材料的力学理论已基本成熟,即,对任何一个各向同性材料的力学问题,人们几乎总能从现有理论中找到有效解决方案,但对各向异性材料暨复合材料而言,只有线弹性理论才基本成熟,复合材料的塑性变形、破坏和强度等问题,都还缺少成熟分析方法。根本原因是,现有理论只能得到纤维和基体中的均值应力,复合材料的塑性、破坏和强度分析,都必须基于基体的真实应力。本文对作者创建和发展的基体真实应力理论进行了综述介绍,并简要指出了真实应力理论在复合材料破坏和强度分析中所起的作用。