缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能,尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性,是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构(晶粒的形貌和取向等)对宏观塑性各向异性的影响,因此,本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型,并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先,建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算,并与实验结果进行对比验证。然后,以单向拉伸为例,分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响,并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明,本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响,为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

固体薄膜拉伸分叉行为的研究进展

薄膜材料被广泛应用到各个领域.柔性电子产品中大量使用薄膜组件和薄膜连接导线,在使用过程中会受到反复的拉伸、卷曲和折叠.薄膜在拉伸过程中发生的断裂及界面破坏是制约薄膜组件性能和广泛应用的重要因素,其元件和结构稳定性决定了产品的质量和使用寿命,因此,研究固体薄膜在拉伸载荷下的变形和断裂失效至关重要.本文着重从理论、实验和数值模拟三方面综述了国内外对薄膜拉伸分叉行为的研究情况,并提出薄膜基底结构在拉伸载荷下尚需解决的力学问题.     

单纤维微拉伸力学性能测试与分析

针对微尺度材料力学性能测试与尺度效应实验研究的需要,自行研制了一台FMT-I型高精度纤维材料微拉伸力学性能实验装置,并基于LabVIEW软件平台开发了相应的数据采集与控制系统,实现了测试过程的全自动化。该装置的测力传感器由非接触式激光位移传感器和两端固定的薄梁组成,可同时测量试样的拉伸力和上夹持端的位移量,帮助精确地获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米级直径的多晶铜丝、316L不锈钢纤维和T300碳纤维进行了拉伸测试。实验结果表明,直径为18～105μm多晶铜丝的拉伸力学行为并无明显的尺度效应;多晶铜丝和316L不锈钢纤维的弹性模量分别在43.9～60.0GPa和102.9～111.5GPa之间,均低于宏观尺度下材料的弹性模量;316L不锈钢纤维的抗拉强度和延伸率随着丝径的减小而降低;T300碳纤维的弹性模量为235.4±12.4GPa,抗拉强度为3238.2±280.8MPa,断裂应变约为1.5%。另外,相同的细铜丝材料的测试结果与Instron5848型商用拉伸试验机的测试结果进行了对比,吻合良好。通过系统的实验分析表明,该装置具有较高的精度和稳定性,适用于各种纤维材料的拉伸力学性能测试。     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.      

碳纤维叶片的鸟弹冲击响应及损伤

通过实验和数值模拟研究了T300碳纤维叶片的抗冲击性能，探讨了碳纤维叶片的变形损伤模式及纤维层数对叶片抗冲击性能的影响。采用明胶鸟弹对不同层数碳纤维叶片开展了冲击实验，基于宏观连续损伤力学理论和Hashin失效准则针对碳纤维材料的失效形式编写了用户材料（vectorized user-material,VUMAT）子程序，采用光滑粒子流体动力学方法模拟明胶鸟弹，运用ABAQUS有限元软件对不同层数碳纤维叶片的动态响应过程进行了数值模拟，在鸟弹冲击过程中叶片变形、鸟流状态、冲击持续时间等方面，模拟结果与实验结果吻合较好。在鸟撞叶片初始冲击阶段，三种不同层数的叶片都有较大的变形，且叶片的变形模式相近；在冲击衰减阶段与恒流稳定阶段，不同层数碳纤维叶片的挠度与断裂位置都有较大差别。在鸟弹冲击叶片过程中，叶片以弯曲和扭转耦合变形模式为主，其中弯曲变形对其损伤破坏起主导作用。实验结果表明，碳纤维叶片损伤模式主要表现为：（1）叶根部边缘损伤，（2）叶根部完全断裂，（3）叶根部与叶顶部完全断裂。碳纤维抗冲击性能受层数的影响较大，通过实验和数值模拟对鸟弹冲击叶片进行机理分析，可为碳纤维叶片的工程设计和应...     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

纤维增强橡胶复合材料拉伸与破坏的试验分析

鉴于橡胶制品的广泛应用,本文利用Zwick020材料试验机和Zwick010双向拉伸材料试验机分析了一类纤维增强橡胶复合材料在不同温度条件下的单向拉伸及双向拉伸的力学行为.得到了不同温度条件下材料单向拉伸及双向拉伸的应力-应变关系曲线和材料的破坏条件,由此分析了温度条件和加载条件对纤维增强橡胶复合材料拉伸变形和破坏等力学性能的影响.同时利用实验结果拟合出材料的一类应变能函数及材料常数.     

确定微纳米尺度金属薄膜拉伸分叉点的实验研究

为了确定微纳米尺度金属薄膜的拉伸分叉点,本文使用磁控溅射镀膜技术,在PI(聚酰亚胺)基底上沉积500nm厚的铜薄膜,制作薄膜/基底结构拉伸试件。在单轴拉伸作用下,通过测量拉伸加载过程中铜薄膜的电阻变化情况,得到薄膜电阻随应变变化的关系,并与理论推导的结果进行对比分析,从而确定了塑性阶段理论曲线与实验曲线分离的点,即铜薄膜的分叉点。以此为基础,研究了铜薄膜在单轴拉伸作用下的分叉行为。研究结果表明,沉积于PI基底上的微纳米尺度铜薄膜在单轴拉伸下,经过弹性变形阶段后,很快就发生分叉,然后产生破坏,而塑性变形阶段和局部化阶段较短;弹性阶段薄膜的电阻变化速率很小,塑性阶段薄膜的电阻变化速率稍有增大,而当薄膜表面开始出现微裂纹后,电阻变化速率急剧增大。     

Dynamic and buckling analysis of polymer hybrid composite beam with variable thickness

This work deals with a study of the dynamic and buckling analysis of polymer hybrid composite(PHC) beam. The beam has variable thickness and is reinforced by carbon nanotubes(CNTs) and nanoclay(NC) simultaneously. The governing equations are derived based on the first shear deformation theory(FSDT). A three-phase HalpinTsai approach is used to predict the mechanical properties of the PHC. We focus our attention on the effect of the simultaneous addition of NC and CNT on the vibration and buckling analysis of the PHC beam with variable thickness. Also a comparison study is done on the sensation of three impressive parameters including CNT, NC weight fractions, and the shape factor of fillers on the mechanical properties of PHC beams,as well as fundamental frequencies of free vibrations and critical buckling load. The results show that the increase of shape factor value, NC, and CNT weight fractions leads to considerable reinforcement in mechanical properties as well as increase of the dimensionless fundamental frequency and buckling load. The variation of CNT weight fraction on elastic modulus is more sensitive rather than shear modulus but the effect of NC weight fraction on elastic and shear moduli is fairly the same. The shape factor values more than the medium level do not affect the mechanical properties.     

Multi-Scale Experiments and Interfacial Mechanical Modeling of Carbon Nanotube Fiber

The multi-scale deformation and interfacial mechanical behavior of carbon nanotube fibers with multi-level structures are investigated by experimental and theoretical methods. Multi-scale experiments including uniaxial tensile testing, in situ Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy are conducted to measure the mechanical response of multi-level structures within the fiber under tension. A two-level interfacial mechanical model is then presented to analyze the interfacial bonding strength of mesoscopic bundles and microscopic nanotubes. The evolution characteristics of multi-scale deformation of the fiber are described based on experimental characterization and interfacial strength analysis. The strengthening mechanism of the fiber is further studied. Comprehensive analysis shows that the property of multi-level interfaces is a critical factor for the fiber strength and toughness. Finally, the method of improving the mechanical properties of fiber-based materials is discussed. The result can be used to guide multi-level interface engineering of carbon nanotube fibers and fiber-based composites to produce high performance materials.     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

A theory of plasticity for carbon nanotube reinforced composites

Carbon nanotubes (CNTs) possess exceptional mechanical properties, and when introduced into a metal matrix, it could significantly improve the elastic stiffness and plastic strength of the nanocomposite. But current processing techniques often lead to an agglomerated state for the CNTs, and the pristine CNT surface may not be able to fully transfer the load at the interface. These two conditions could have a significant impact on its strengthening capability. In this article we develop a two-scale micromechanical model to analyze the effect of CNT agglomeration and interface condition on the plastic strength of CNT/metal composites. The large scale involves the CNT-free matrix and the clustered CNT/matrix inclusions, and the small scale addresses the property of these clustered inclusions, each containing the randomly oriented, transversely isotropic CNTs and the matrix. In this development the concept of secant moduli and a field fluctuation technique have been adopted. The outcome is an explicit set of formulae that allows one to calculate the overall stress-strain relations of the CNT nanocomposite. It is shown that CNTs are indeed a very effective strengthening agent, but CNT agglomeration and imperfect interface condition can seriously reduce the effective stiffness and elastoplastic strength. The developed theory has also been applied to examine the size (diameter) effect of CNTs on the elastic and elastoplastic response of the composites, and it was found that, with a perfect interface contact, decreasing the CNT radius would enhance the overall stiffness and plastic strength, but with an imperfect interface the size effect is reversed. A comparison of the theory with some experiments on the CNT/Cu nanocomposite serves to verify the applicability of the theory, and it also points to the urgent need of eliminating all CNT agglomeration and improving the interface condition if the full potential of CNT reinforcement is to be realized.     

利用纳米硬度试验法确定Cr/Cu梯度材料的变形特性

利用纳米硬度仪研究了在Cu基底上的Cu／Cr梯度膜的机械性能。梯度膜是通过将Cu靶和Cr靶同时溅射到Cu基底材料上，但两个靶的相对溅射功率随溅射时间变化而制备。利用Oliver and Pharr方法得到了膜随其厚度变化的硬度和弹性模量。然后利用加载／卸载／再加载的方法得到了在不同深度(即膜的厚度)压头平均压力与相对压人深度之间的关系曲线，在此曲线上可以明显反映出材料的屈服特性。     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

轮胎钢丝帘线拉伸力学性能的实验研究

对两种结构类型的钢丝帘线在单向拉伸和循环加载下的力学性能进行了实验研究。结果表明：帘线的结构形式对拉伸力学性能（包括摩擦能量损耗）有显著影响。不考虑载荷很小的情况时，普通结构帘线可近似为弹脆性材料，高伸长结构帘线却可以产生较大的塑性变形；循环载荷下，普通结构帘线几乎没有摩擦能量损耗，而高伸长结构帘线不仅有明显的摩擦能量损耗，而且随着循环应力幅值的增加，摩擦能量损耗呈加速增加的趋势；在循环应力幅值较大时高伸长结构帘线还出现了类似于高温下循环硬化金属材料的循环蠕变现象。文章还讨论了高伸长结构帘线由于塑性变形而引起循环蠕变现象的机理。