基于近场动力学理论的单层板损伤分析方法

基于键基近场动力学理论(PD)构建复合材料的单层板模型,在本构方程中引入连续变化的键刚度,以表示复合材料中与纤维夹角相关的力学性能的变化。推导了与复合材料主方向热膨胀系数相关的任意方向的热膨胀系数,为热载荷的施加提供理论支持,将热载荷和力学载荷统一于本构方程中。最后,对预先存在裂纹的单层板进行裂纹扩展模式的仿真,得到预期的仿真结果,并与已有实验结果对比验证模型的有效性。     

层板复合材料的疲劳剩余刚度衰退模型

根据层板复合材料在疲劳载荷作用下刚度衰退变化的现象，研究了疲劳载荷对层板复合材料刚度衰退的影响，建立了一个用于描述层板复合材料在常幅疲劳载荷作用下的刚度衰退模型，导出了剩余刚度统计分布的表达式，给出了确定模型参数的方法。利用该随机模型，可以预报层板复合材料在给定应力水平的疲劳载荷作用下循环指定周次时剩余刚度的统计分析。实验数据表明，理论预报和实验结果符合得很好。     

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．     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

STUDY ON NONLINEAR CONSTITUTIVE RELATIONSHIP AND FRACTURE BEHAVIOR OF STITCHED C/SiC COMPOSITES$^{\bf 1)}$

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.     

层板复合材料的疲劳剩余刚度统计分布模型

在分析现有关于层板复合材料疲劳剩余刚度衰退模型的基础上，根据层板复合材料在疲劳载荷作用下刚度衰退变化的现象，研究了疲劳载荷对层板复合材料刚度衰退的影响，建立了一个新的、更为合理的用于描述层板复合材料在常幅疲劳载荷作用下的刚度衰退模型，导出了剩余刚度统计分布的表达式，给出了确定模型参数的方法。为验证该模型，设计了几组测试实验，并利用试验结果对模型参数进行了估计。利用该统计分布模型，可以预报层板复合材料在给定应力水平的疲劳载荷作用下循环指定周次时剩余刚度的统计分布。实验数据表明，理论预报和实验结果符合得是很好的。     

含圆孔复合材料层板在拉伸载荷下损伤破坏过程的模拟

本文应用有限元法模拟受拉含孔复合材料层板损伤起始、累积直至破坏的过程。在模拟中引入了作者早些时建立的包含基体开裂层非对称约束影响的损伤本构关系，以及裂纹密度与损伤区应力关系函数等。本文给出损伤累积模拟方法并编制了程序，用该程序可以获得层板加载过程中各层的损伤状态、计算其刚度衰减和应力重分布以及最终破坏载荷。给出了数值模拟算例并与现有研究结果进行了比较。     

基于近场动力学理论的准脆性材料的本构力函数的构建

近场动力学理论(PD)是基于非局部思想的连续介质力学新理论,用于研究材料破坏问题。根据准脆性材料破坏的线性和非线性的力学行为,在初始微观弹脆性材料(PMB)的本构力函数中引入了键的损伤模型,将键的断裂过程分成了线性的弹性变形阶段和非线性的损伤变形阶段,以此构建了准脆性材料的本构力函数的基本形式。以典型的准脆性材料为例构建了其本构力函数,通过在压缩载荷下对含预制不同角度单裂纹缺陷的类岩材料的裂纹扩展进行PD数值模拟仿真,裂纹起裂位置和扩展方向与试样试验结果在一定程度上保持了一致,证明了该基于近场动力学理论的典型准脆性材料的本构力函数可用于该类材料的破坏分析。     

正交铺设层合板的蠕变屈曲分析

研究了正交铺设层合板的蠕变失稳问题。为了更好地模拟实际情况，在单层板的本构关系中，材料各主方向模量的松也时间均取不同值，并在建立控制方程时考虑了横向剪切变形的影响，通过理论分析，得到了粘弹性层合板的瞬时弹性临界载荷和持久临界载荷，并在算例中首次利用时间增量方法得到了有初始度层合板在长期受地的蠕变变表，计算结果表明了持久临界载荷对于粘弹性层合板的具体含义，从而使粘弹性层合板的为屈曲问题有了较为完整的     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

Viscoelastic response of a unidirectional composite containing two viscoelastic constituents

Viscoelastic response of a unidirectional aramid fiber-reinforced epoxy was measured. Procedures to measure all five time-dependent material properties necessary to describe behavior of a transversely isotropic continuous-fiber unidirectional lamina were implemented. The Iosipescu shear method was used to measure in-plane and interlaminar shear viscoelastic response. Applicability of the Schapery single-integral nonlinear viscoelastic constitutive model to describe time-dependent mechanical behavior of a laminated composite material containing two viscoelastic phases was explored. Linear and nonlinear viscoelastic parameters for this two-viscoelastic constituent composite were measured and data summaries are presented in the paper. The time-dependent behavior of this two-viscoelastic constituent composite material was found to be complex, but the Schapery nonlinear viscoelastic model did adequately fit the response of such a composite to uniaxial applied loads.Paper was presented at the 1988 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Portland, OR on June 5–10.     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

含圆孔复合材料层板在拉伸载荷下损伤破坏过程的模拟

本文应用有限元法模拟受拉含孔夏合材料层板损伤起始、累积直至破坏的过程。在模拟中引入了作者早些时建立的包含基体开裂层非对称约束影响的损伤本构关系，以及裂纹密度与损伤区应力关系函数等。本文给出损伤累积模拟方法并编制了程序，用该程序可以获得层板加载过程中各层的损伤状态、计算其刚度衰减和应力重分布以及最终破坏载荷。给出了数值模拟算例并与现有研究结果进行了比较。     

An analysis of the delamination of an environmental protection coating under cyclic heat loads

A computational analysis of a coated high temperature composite material under cyclic heat flux loading is conducted. The material system considered is a carbon–carbon (CC) composite laminate with a SiC environmental protection coating. Interface crack growth between the CC laminate and the SiC coating as well as the concurrent changes in the effective conductivity of the material system are modeled by the use of an irreversible thermo-mechanical cohesive zone model. In this model, the degradation of the cohesive strength due to cyclic loading is accounted for through a damage variable for which an evolution equation is given in terms of cohesive zone tractions and displacement jumps. Furthermore, interface failure progressively degrades the heat transfer across the interface. In the model the crack tip singularities for both stress analysis and heat transfer are removed. While the crack growth rates predicted by the simulation results can in principle be described by a Paris law approach, the strength of the proposed model is that the use of global loading parameters is in fact not necessary. Instead, material failure is described through local changes to the coupled mechanical and thermal fields.     

A penny-shaped interface crack between a functionally graded piezoelectric layer and a homogeneous piezoelectric layer

The problem of a penny-shaped interface crack between a functionally graded piezoelectric layer and a homogeneous piezoelectric layer is investigated. The surfaces of the composite structure are subjected to both mechanical and electrical loads. The crack surfaces are assumed to be electrically impermeable. Integral transform method is employed to reduce the problem to a Fredholm integral equation of the second kind. The stress intensity factor, electric displacement intensity factor and energy release rate are derived, some typical numerical results are plotted graphically. The effects of electrical loads, material nonhomogeneity and crack configuration on the fracture behaviors of the cracked composite structure are analyzed in detail.     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。