非均匀微极介质的有效性质分析

首先讨论了不同尺度关系下宏细观过渡方法,然后重点介绍了尺度关系满足L>>l>>A ≈lm时(适用于金属基复合材料,泡沫基复合材料和纳米复合材料等),构元材料看作微极介质,而均质化后的材料仍可看作传统Cauchy介质时的解析弹塑性细观力学方法.在这样的理论框架下,细观结构的尺度影响可作为变量引入细观力学模型,并且当A>>lm 时,该方法自然退化成传统的细观力学方法.      

基于均匀化理论韧性复合材料塑性极限分析

运用细观力学中的均匀化方法分析了韧性复合材料的塑性极限承载能力.从反映复合材料细观结构的代表性胞元入手,将均匀化理论运用到塑性极限分析中,计算由理想刚塑性、Mises组分材料构成的复合材料的极限承载能力.运用机动极限方法和有限元技术,最终将上述问题归结为求解一组带等式约束的非线性数学规划问题,并采用一种无搜索直接迭代算法求解.为复合材料的强度分析提供了一个有效手段.     

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料 Griffith 强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明：强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。     

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料Griffith强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明:强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。     

含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤

研究含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤,推导了以Eshelby－Mori－Tanaka方法求解多相各向异性复合材料等效弹性模量的简便计算公式,针对含三相正交椭球状夹杂的正交各向异性材料,得到了由细观参量（夹杂的形状、方位和体积分数）表示的等效弹性模量的解析表达式．在此基础上,提出了一个宏细观结合的正交各向异性损伤模型,从而建立了以细观量为参量的含损伤材料的应力应变关系．最后,对影响材料损伤的细观结构参数进行了分析．     

正交各向异性复合材料板的非线性弹性应力应变关系

1.引言复合材料与普通金属材料相比,除了其细观的非均质性和宏观的各向异性外,还具有明显的物理非线性,且在加载过程中一般无明显的屈服点,特别是由正交各向异性单层板叠压成型的层合板即使在低应力水平时,也有明显的非线性,尤其以剪切非线性为突出。因此,传统的线弹性虎克定律和塑性理论的本构模型已不能有效地描述材料的力学行为,也不能给出合理的强度指标。随着复合材料应用领域的开拓和深化,为了保证结构的安全     

材料强韧化的宏细观断裂力学理论

材料强韧化理论是本世纪末断裂力学理论及应用发展的一个主要方向.本文结合金属、精细结构陶瓷、结构高分子和复合材料中的强韧化力学原理来展示宏细观断裂力学理论的主要框架.     

HT-7U超导托卡马克装置极向场线圈的等效弹性常数及其残余刚度

HT－7装置的超导极向场线圈由导管，超导材料和绝缘体组合而成，具有复杂的正交各向异性的性质。本文从微观力学的观点出发，将极向场线圈整体作为一种复合材料来考虑，采用微观力学的复合律和损伤力学的细观损伤模型，求出了极向场线圈的等效弹性常数和残余刚度；并且，残余刚度的计算结果已得到了实验验证。这些材料特性已被用于有限元分析的输入数据。     

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。     

复合材料的宏观性能与参数设计

本文综述了预测复合材料宏观性能──有效刚度的几类方法：自洽模型、单胞模型以及它们的结合──自洽有限元法．阐述了复合材料发生弹塑性变形时的有关力学问题．基于细观力学的定量分析结果，探讨了面向材料宏观刚度的细观结构参数设计的基本原则，以期对建立复合材料细观结构设计的力学和数学模型有所启发．     

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．     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

Micromechanical analysis on tensile properties prediction of discontinuous randomized zalacca fibre/high-density polyethylene composites under critical fibre length

In this research, the tensile properties' performance of compression moulded discontinuous randomized zalacca fibre/high-density polyethylene under critical fibre length was analysed by means of experimental method and micromechanical models. These investigations were used to verify the tensile properties models toward the effect of fibre length and volume fraction on the composites. The experimental results showed that the tensile properties of composites had significantly increased due to the enhancement of fibre length. On the contrary, a decline in the tensile properties was observed with the increase of volume fraction. A comparison was made between the available experimental results and the performances of Tsai-Pagano, Christensen and Cox-Krechel models in their prediction of composites elastic modulus. The results showed that the consideration of fibre's elastic anisotropy in the Cox-Krenchel model had yielded a good prediction of the composites modulus, nevertheless the models could not accurately predict the composites modulus for fibre length study.     

Model for Elastic Modulus of Multi-Constituent Particulate Composites

In this paper, a methodology has been developed to accurately predict the elastic properties of multi-constituent particulate composites by accounting for irreversible effects, such as energy loss that arises due to internal friction. The complex dependence on loading density and particle properties (i.e., size, shape, morphology, etc.) is investigated in terms of their effects on the effective elastic modulus of the composite. Confirmed by experimental data from the compression loading of individual Ni and Al particles dispersed in an epoxy matrix, it is believed that this approach captures the effects of internal friction, consequently providing a more accurate and comprehensive representation for predicting and understanding the material behavior of multi-constituent particulate reinforced composites. The present methodology provides a model to directly compare the elastic modulus from an uncomplicated test, such as dual-cantilever beam loading in dynamic mechanical analysis (DMA), to the modulus obtained by other more complex experimental methods such as quasi-static compression. The model illustrates an efficient method to incorporate input data from DMA to represent realistic elastic moduli, hence promising for the characterization and design of particulate composites.     

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.     

基于等效特征应变原理的复合材料有效模量细观力学分析

基于等效特征应变原理,提出了一种新的复合材料有效模量细观力学分析方法。首先,在等效特征应变原理基础上提出平均等效特征应变原理,它可用于解决有限体下任意形状(无论是凸或凹形)的单个夹杂或多个夹杂的弹性变形问题。其次,将平均等效特征应变原理与细观力学直接均匀法相结合,来分析确定复合材料的有效模量。最后利用复合材料纤维与基体的力学性能参数及纤维的体分比,借助MATLAB编程方法,预测其有效模量。通过将理论预测值与已有的的试验值、其它理论预测值进行对比,验证了新分析方法的合理性和分析精度。     

颗粒增强复合材料的屈服极限

基于渐近均匀化方法,导出了颗粒增强复合材料的屈服准则,给出了初始屈服应力的解析表达式。因为颗粒增强体的弹性模量远比弹塑性基体的弹性模量高,这个模量差在增强体和基体中产生了装配刚度。解局部问题可以得到该装配刚度。从屈服应力的表达式可以看出,增强体和基体两者的平均装配刚度和剪切模量之比决定了屈服应力的提高程度。给出了两个数值算例。采用菱形十二面体单胞求解了局部问题。取单胞形状为菱形十二面体的优点是增强体的体积比可以高达74%。     

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。     

反平面剪切下电磁弹性纤维增强复合材料界面相效应研究

研究具有界面相电磁弹性纤维增强复合材料的反平面剪切问题,利用复变函数方法,获得了无穷域中带界面相纤维问题在远场力、电、磁多场作用下的闭合解,得到了复合材料内部各区域电磁弹性物理量的精确表达式.利用所得结果,考虑纤维和基体间的界面相效应,研究了界面相厚度及弹性模量对复合材料内部应力场、电场强度和磁场强度的影响,数值结果给出了复合材料电磁弹性物理量随界面相参数变化的规律,为该类复合材料的设计与计算提供了有价值的参考.     

三维四向编织复合材料的拉伸尺寸效应研究

通过对三维四向碳/环氧编织复合材料的拉伸实验,观测了不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸载荷下不同的破坏机理以及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性,研究表明材料随着内部单胞数量的增加材料的弹性模量递减,而剪切模量和泊松比递增的变化规律,通过体积平均法从理论上预报了材料的弹性性能,预报结果与实验结果相符,实验和理论所获结论为进一步进行材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验和理论基础.