低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。     

错位铺层拼接层合板承载机制的试验与模拟研究

针对具有特殊细观结构的非均匀连续复合材料--错位铺层拼接层合板,测定了其拉伸强度和刚度,并观测了其断口破坏特征和表面铺层的应变分布;基于细观结构,建立了包含基体损伤演化的三维有限元模型,并进行数值模拟分析,研究了材料的传力和破坏机理。结果表明：铺层间断使断点附近及相邻层受间断影响处形成了局部高应变梯度,断裂模式为基体剪切破坏;铺层间断点处的载荷通过基体承剪的方式传递,远离间断点处则仍靠纤维传载;随着断点间距(在3mm~9mm范围内变化)的增大,强度和刚度逐渐增加,但幅度不超过1.4%和3.3%。     

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.     

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.      

2D C/SiC复合材料细观损伤机制及氧化对其影响的研究

为了观察分析C/SiC陶瓷基复合材料的细观损伤机制,利用划片切割机去除表面涂层,采用扫描电镜和配套的原位加载装置探究其细观损伤机理,以此结合宏观现象对其作出解释。本文以四点弯实验为基础,利用搭建的高温加热系统在不同高温环境下氧化材料。随着氧化的发生,得到C/SiC陶瓷基复合材料细观形貌以及破坏机制的变化规律。随着氧化程度的加强,发现材料基体以及纤维出现不同程度的烧蚀,界面层遭到破坏,弯曲强度逐渐降低。同时纤维的拔出、裂纹的萌生以及扩展方式发生了改变,从而导致不同破坏断口的出现。     

SMA纤维混杂层合梁的材料阻尼

研究一类由形状记忆合金（SMA）和普通纤维混杂而成的层合梁的阻尼特性,基于最大应变能理论提出SAM混杂层合梁的等效材料阻尼预测的数学模型,其中,单层材料的弹性性能和阻尼性能分别采用多胞模型及其阻尼细观力学分析模型确定,利用正交各向异性层合梁的铁木辛柯理论分析梁的变形,通过数值算例分析了SMA含量,纤维铺设角对梁的等效阻尼比的影响。     

SHPB冲击作用下层状千枚岩多尺度破坏机理研究

通过分离式霍普金森杆对层状千枚岩施加动态载荷，得到不同层理倾角下层状千枚岩的动态抗压强度与宏观破坏模式。采用三维激光仪获得断裂面细观形貌，引入分形几何定量计算断口面粗糙度；结合SEM观察到的微观尺度下不同层理倾角断口破坏机理，分析了不同层理倾角下层状岩石的动态破坏机制。研究结果表明:动态压缩下层理弱面对岩石的抗压强度影响较大；不同层理倾角千枚岩的断口形貌分形维数随层理倾角增大呈U型变化；从强度与裂纹扩展两方面考虑层理弱面对层状岩石破坏特征的影响，对于层理倾角为0°的试样，强度由岩石基质控制，但层理弱面仍对岩石破坏的裂纹分布与走向产生较大影响；对于层理倾角为22.5°的试样，强度与裂纹走向受岩石基质与层理弱面共同控制；对于层理倾角为45°～67.5°的试样，强度与裂纹走向受层理弱面控制；而对于层理倾角为90°的试样，动态抗压强度受岩石基质的影响较大，在层理弱面较早形成纵向宏观裂纹，导致该层理弱面角度下裂纹受层理弱面的影响较大。     

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。     

基于连续丝束剪切技术的变角度复合材料层合板的热屈曲分析

连续丝束剪切(Continuous Tow Shearing, CTS)铺放技术是一种新的变角度层合板制作技术，这种新技术能显著减少丝束铺放过程中产生的丝束重叠和间隙等缺陷，然而，采用CTS技术铺设时，层合板的厚度将随着纤维角度的变化而变化．本文基于一阶剪切变形理论并应用Chebyshev-Ritz法对这种变厚度的变角度复合材料层合板的热屈曲问题进行了研究．假设纤维方向角沿板的长度方向按照线性变化，获得了均匀温度变化时变厚度层合板的临界热屈曲荷载．通过与现有文献的比较验证了本文方法的正确性，并进一步讨论了纤维铺设技术、纤维方向角的变化以及边界条件的不同对变角度复合材料层合板的临界屈曲温度的影响．研究结果表明，在体积相同的情况下，采用CTS铺设较传统的自动丝束铺放(AFP)可以进一步提升变角度层合板的临界屈曲温度．本文的研究结果可为变角度复合材料的设计提供一定的参考．     

开孔复合材料层合板强度不确定性分析

以拉伸载荷作用下AS4/3501-6开孔复合材料层合板为研究对象，采用考虑复合材料层合板就地强度效应的有限断裂力学模型和基于方差的敏感性测度分析模型相结合的方法，研究单层板宏观力学性能不确定性对具有不同孔径和铺层顺序的开孔复合材料层合板破坏强度的影响．研究结果表明：单层板力学性能对开孔板强度影响程度的大小与孔径相关，但敏感性排序与孔径无关．同时，单层板力学性能敏感性测度与层合板铺层顺序有关，层合板各向异性比越大，开孔板拉伸破坏受单层板纤维方向拉伸强度的影响越大，而且开孔板拉伸强度与单层板纤维方向拉伸强度呈正相关，与横向弹性模量呈负相关，与面内剪切模量和纵向弹性模量不具有单调关系．     

基于新修正偶应力理论的Mindlin层合板稳定性分析

基于新的各向异性修正偶应力理论提出一个Mindlin复合材料层合板稳定性模型。该理论包含纤维和基体两个不同的材料长度尺度参数。不同于忽略横向剪切应力的修正偶应力Kirchhoff薄板理论,Mindlin层合板考虑横向剪切变形引入两个转角变量。进一步建立了只含一个材料细观参数的偶应力Mindlin层合板工程理论的稳定性模型。计算了正交铺设简支方板Mindlin层合板的临界载荷。计算结果表明该模型可以用于分析细观尺度层合板稳定性的尺寸效应。     

热塑性AS4／PEEK层合板基体损伤的实验研究

本文将长距离显微云纹干涉方法与显微放大技术相结合,在轴向拉伸载荷下,对AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板层间变形、纤维-基体脱粘和基体裂纹进行了从小变形到大变形直至分层损伤的全过程实时、定量的细观变形测量分析.实验表明:AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板亚临界损伤的主要特征,是中间90°/90°层基体中出现具有一定间隔的基体裂纹群.初步探讨了热塑性复合材料AS4/PEEK层合板基体的非弹性变形和损伤过程的一些基本特征.     

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

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.     

层合梁在线性载荷下脱层的有限元分析

运用Hamilton正则方程对层合梁的脱层扩张进行了分析。结合弹性材料修正后的Hellinger-Reissner变分原理和插值函数,构建了八节点层合梁每一层的线性方程;考虑到脱层梁连接界面上应力和位移的连续性,将脱层板离散成上下两层,采用"分离合并"技术建立了脱层情况下梁的控制方程;最后应用Griffth准则,导出了固定载荷情况下梁元脱层前缘的能量释放率。数值算例验证了该模型的正确性,并研究了不同边界、不同脱层深度、不同脱层长度、不同角铺层工况下梁的脱层问题。结果表明:层合梁在脱层过程中,固支边界和简支边界情况区别不大,但在同种边界情况下,脱层的深度越深,脱层能量释放率变化越剧烈;层合梁的不同铺层角度会产生不同的能量释放率,为避免层合梁发生脱层,应尽量使层合梁的铺层角度沿着22 11C/C最大处。     

变角度纤维复合材料环扇形层合板的自由振动分析

与传统的直线纤维增强复合材料相比，变角度纤维复合材料具有更强的可设计性，为改善结构性能提供了更大的可能．鉴于此，本文将研究纤维的变角度铺设对复合材料环扇形层合板的自振频率及振动模态的影响．假设纤维的方向角沿环扇形板的径向线性变化，基于经典的层合板理论，采用微分求积法获得了环扇形层合板自由振动问题的数值解．通过与现有文献及ABAQUS有限元结果的比较验证了本文模型及方法的正确性和收敛性，并详细分析了纤维起始角和终止角的变化对层合板的自振频率及振动模态的影响．研究结果表明：与常刚度层合板相比，变角度纤维复合材料层合板的基频具有更大的调整空间，通过合理选择纤维起始角和终止角可有效提高层合板的基频．研究结果可为该种新型复合材料结构的优化设计提供一定的参考．     

变角度纤维复合材料层合斜板的颤振分析

假设纤维方向角沿层合板的长度方向线性变化，研究了变角度纤维复合材料层合斜板的颤振．通过坐标变换将斜板变换为正方形板，采用层合板表面连续变化的速度环量来模拟空气对其的作用，速度环量分布利用Cauchy积分公式计算．建立了系统的Lagrange方程并采用Ritz法得到了层合板的自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度．通过数值算例验证了本文模型和方法的正确性和收敛性，分析了各个铺层内纤维方向角的变化对自振频率和颤振/不稳定性分离临界速度的影响．研究结果表明，通过纤维的变角度铺设，可有效地提高层合板的基频和颤振/不稳定性分离临界速度．经合理设计的变角度复合材料层合板具有抑制颤振的作用．     

反对称铺设复合材料层合板非线性后屈曲分析

基于层合板壳理论，考虑反对称铺设层合板的拉弯耦合效应和后屈曲过程中的非线性几何变形，推导了由应力函数和挠度表示的复合材料层合板的后屈曲控制方程。引入无量纲参数对控制方程和边界条件进行无量纲化，以消除材料参数及几何尺寸对分析结果的影响。采用摄动法将无量纲的非线性控制方程及边界条件展开成一系列非齐次线性摄动方程组，分析各阶摄动方程的通解与特解的构造，并逐次求解，建立了反对称铺设复合材料层合板受单向均布压力作用的临界屈曲荷载及后屈曲平衡路径的理论解。进而运用ABAQUS软件对复合材料层合板在面内压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲进行有限元分析，结果表明理论解与ABAQUS结果十分接近，验证了理论解的正确性。在此基础上进一步讨论了铺设角度、铺设层数和拉弯耦合效应等对层合板后屈曲性能的影响。研究发现层合板的屈曲载荷受铺设角度与层数的影响较为显著，而拉弯耦合效应使板的屈后强度大大降低。     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

含椭圆孔的变角度复合材料层合板的屈曲性能研究

本文利用变角度复合材料的纤维方向角可沿平面位置任意连续变化的特点,提出在孔附近采用与孔同心的椭圆曲线作为纤维铺设路径的层合板铺层方案,以改善含椭圆孔的层合板的孔边应力集中,进而提高层合板的抗屈曲性能．主要研究内容有：利用ABAQUS软件分析本文提出的孔边特殊铺层方式下变角度复合材料层合板的面内应力分布及屈曲性能,通过与传统直线铺层方式以及线性变角度铺层方式进行比较,说明了本文提出的新铺层方式的优越性,并详细分析了椭圆孔的离心率、开孔尺寸及开孔方位对层合板的屈曲临界荷载的影响．研究结果可为含椭圆孔的变角度复合材料层合板的结构设计和优化提供一定的参考．