复合材料细观力学的现状和展望

复合材料性能优异、应用广泛、种类繁多、还会有新的发展。复合材料的定义尚未统一,这里指纤维增强塑料(FRP)。 从宏观看,复合材料是各向异性的层合材料。从细观看,复合材料是纤维和基体组成的多相非均质材料。一般认为纤维起主要的承力作用,而基体起保护纤维和传力作用,然而情况并非如此简单。 多数复合材料结构的工程问题,用复合材料宏观力学就能得到基本解决。在对复合     

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。     

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。     

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。     

含有多个涂层压电纤维复合材料的平面问题研究

压电纤维在未来的复合材料结构健康监测中具有重要作用．本文基于横观各向同性压电材料位移和应力连续条件以及经典的复势函数理论,讨论了同时受到平面内机械载荷和出平面电载荷作用时含有多个带涂层压电纤维的无限大线弹性基体的平面力学问题．首先将线弹性基体、涂层和压电纤维的应力场、位移场表示成复势函数,然后通过横观各向同性压电材料和线弹性材料的位移和应力连续条件确定复势函数表达式．将得到的复势函数表达式代入线弹性基体、涂层和压电纤维的的应力场、位移场公式可确定其应力场和位移场．最后,通过定量的案例讨论了涂层的材料属性对线弹性基体应力场的影响．案例分析表明涂层的材料属性对压电复合材料的应力场有重要的影响．     

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.     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.     

钨纤维增强金属玻璃复合材料弹穿甲钢靶的实验研究

为具体研究钨纤维增强金属玻璃复合材料的力学特性及其穿甲自锐特征,开展了相应的准静态和 动态力学实验,并用火炮开展了复合材料弹体撞击钢靶的穿甲实验,同时利用金相分析对材料失效模式进行 了较系统的识别和分类,并同静动态实验数据进行比较分析,最后开展了材料自锐剪切失效的机理讨论。实 验获得了复合材料的静动态力学特性及其自锐穿甲的形貌,相关分析显示,材料的变形具有明显的应变率效 应,在复合材料弹体侵彻/穿甲过程中,弹体的破坏方式主要表现为局域化的剪切变形和断裂,并呈现出4种 自锐剪切失效模式,增强钨纤维也表现出3类失效破坏模式。     

基于近场动力学理论的层压板损伤分析方法

提出了一种基于近场动力学理论 的纤维增强复合材料层压板的渐进损伤分析方法.在弹性力学和复合材料力学的基础上, 推导了适用于近场动力学建模的微模量和临界伸长率等基本参量, 结合经典层压板理论中的偏轴模量, 构建了适用于各向异性材料的对点力函数, 可分析3种形式的损伤:纤维断裂, 基体开裂和分层破坏.分析了含圆孔层压板在拉伸载荷作用下的破坏过程, 预测结果与试验结果吻合良好.     

金属基复合材料和强度与损伤分析

用观察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。     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

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.     

纤维增强复合材料的破坏机理

纤维增强复合材料本身是一个非均匀各向异性力学结构。复合材料的研制、设计和使用都与力学密切相关。复合材料的破坏机理比金属材料复杂,不同组分的构成使其在加工中存在和使用中带来的缺陷比金属多。它的破坏机理与纤维、基体组分的性能,粘结强度,纤维铺设方向和顺序,工作条件等有关。需要采用有效的试验和分析方法,研究复合材料在不同      

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.      

复合材料非破坏性测试

非破坏性测试用于检验材料和结构的内在特征,了解构件原有缺陷对性能的影响,并在进行各种载荷条件下力学性能试验时观察或试验后检查构件的破坏过程,以分析和确定构件的强度、刚度、断裂、疲劳、振动等力学性能以及破坏机理,复合材料由两种以上的增强元件及基体构成,材料本身就是一种力学结构,如纤维增强复合材料,纤维是主要承力件,基      

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     

三维机织复合材料力学性能研究进展

对近年来关于三维机织复合材料力学性能的研究作了综述和归纳。研究表明,三维机织复合材料的力学性能不仅取决于纤维和基体的性能,而且与三维增强结构形式密切相关。通过对三维机织增强结 构的研究,获得了机织复合材料的细观结构和主要力学特征的关系,强调了增强纤维束轴向几何特征和截面形状对材料细观结构的重要影响。试验研究集中于观测机织复合材料的破坏模式,以分析三维机织结构对阻止损伤微裂纹扩展的贡献。理论分析方面较为成熟的研究是三维机织复合材料线弹性力学性能,其研究基础是层板理论模型、取向平均模型和有限元分析模型。而对强度及损伤方面的研究还有待于进一步的工作。本文对当前研究工作中的关键问题进行分析,并就今后的研究工作发表一些看法。      

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。     

角铺设复合材料层合板内部脱层破坏的研究

在面内剪切外载作用下，角铺设复合材料层板板最终的宏观破坏模式是脱层，然而从细观角度来看，宏观的脱层破坏可以对应不同的细观损伤过程，以破坏面的形貌为例，有些破坏面的形貌为例，有些破坏面主要由裸露的纤维和纤维迹组成，而有些破坏面则主要由矩齿形基体材料组成。不同的过程对应着不同的力学性能、诸如脱层强度、韧性等、本文从细观角度研究了脱层破坏过程，并就铺设角、界面强度、基体开裂强度对该过程的影响进行了讨论。     

含空心纤维热电复合材料的能量转换效率及力学性能

空心纤维常用于热电复合材料的结构设计。纤维附近产生的不均匀温度场会引起局部热应力集中,威胁材料的可靠性并可能导致结构失效。本文采用圆环夹杂模型,研究了含空心纤维热电复合材料在均匀远场电流和能流作用下的力学响应。基于非线性全耦合的热电本构方程,利用复变函数中的级数法得到了纤维和基体中热电场和应力场的解析解。通过数值算例,分析了空心纤维的传导能力和几何尺寸对温度场、应力场和局部热电转换效率的影响。结果表明：随着空心纤维内径和界面热阻的增大,界面周围的应力场增大,但并不改变应力场的分布趋势。此外,我们发现：温度分布和应力场对几何参数比对界面热阻更为敏感。