2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

预静态加载后的混凝土动态受压特性试验

进行了混凝土在应变速率分别为10-5/s、10-4/s、10-3/s的条件下,经历极限抗压强度分别为0、40%、60%、75%和85%的单调荷载作用的动态单轴压缩试验,在此基础上分析了经历不同单调加载历史和应变速率下混凝土的峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律。试验结果表明,随着应变速率的提高,动态单轴抗压强度明显增加;当单调加载应力水平高于某一应力阈值时,混凝土极限抗压强度明显降低;混凝土弹性模量随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加表现出先增大后减小的趋势;混凝土峰值应变随着应变速率的提高而增加,随着单调加载幅值的增加而减少。     

不同标距及应变率下纤维丝间摩擦对Kevlar 49纤维束力学性能的影响

为了研究在不同标距和应变率下摩擦对Kevlar 49纤维束力学性能的影响,首先,利用MTI微型拉力试验机对不同标距(12.5mm,25.0mm,40.0mm)的Kevlar 49纤维丝力学性能进行拉伸测试。然后,利用MTS万能试验机对不同标距(25.0mm,50.0mm,100.0mm,200.0mm)的Kevlar 49纤维束在处理(涂油润滑)和未处理两种情况下进行静态拉伸测试。采用Instron落锤冲击系统对标距为25.0mm的纤维束(处理和未处理)进行动态拉伸测试(应变率为40s-1,80s-1,120s-1和160s-1)。最后,利用Weibull分布模型对实验数据进行统计分析,量化了纤维强度的离散性。结果表明:在一定范围内,Kevlar 49纤维丝的拉伸强度、韧性、峰值应变均随标距的增加而降低,弹性模量随标距的增加而增大。处理和未处理的纤维束静态拉伸强度、韧性、峰值应变及弹性模量相近,即在静态拉伸作用下减小纤维丝之间的摩擦对不同标距下的纤维束力学性能影响不大。随着应变率增大,相对于未处理的纤维束,经过处理的纤维束强度逐渐降低,降低幅度呈递增趋势,这表明在高应变率作用下纤维丝之间的摩擦对纤维束的力学性能影响显著。     

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。     

二维编织陶瓷基复合材料应力-应变行为

对二维编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟. 将二维 编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构. 基于基体随机开裂、纤维随机断裂分布 理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分进行分割, 引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系. 结合正交铺层部分和纤维束波动 部分的应力-应变关系,得到二维编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好.     

加载应变速率对UHTCC薄板弯曲性能影响试验研究

通过测定10~(-7)s~(-1)、10~(-6)s~(-1)、10~(-5)s~(-1)、10~(-4)s~(-1)、10~(-3)s~(-1)五个加载应变速率下薄板四点弯曲的跨中挠度、初裂强度、极限强度和韧性指数,就加载应变速率对超高韧性纤维增强水泥基复合材料(UHTCC)薄板弯曲性能的影响进行了试验研究。结果表明:UHTCC薄板在所研究的应变速率范围内均出现了挠度硬化特征,随着加载应变速率的增大,试件跨中挠度有减小的趋势;以10~(-7)s~(-1)(徐变)、10~(-6)和10~(-5)s~(-1)(准静态)应变速率加载,UHTCC薄板的弯曲初裂强度和极限强度变化不大。当考虑到冲击作用时,不论是弯曲初裂强度还是极限强度都有明显地增大;UHTCC薄板在冲击作用下能吸收较大的能量,产生一定的变形而不破坏,具有一定的弯曲韧性。     

Ti-6Al-4V在高应变率下的动态剪切特性及失效机理

采用基于霍普金森压杆的新型加载技术对Ti-6Al-4V材料的动态剪切特性及失效机理进行了测试研究。获得了Ti-6Al-4V材料在超过104 s-1应变率下的剪应力-剪应变曲线及失效参数。研究发现,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;随着应变率的增加,材料的失效应力逐渐增大,而失效应变逐渐减小。采用ABAQUS/Explicit对加载过程进行了数值模拟。结果显示,剪切区材料基本处于平面剪切状态,应力应变场分布较为均匀,计算得到的剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好。经断口分析可知,随着应变率的升高,Ti-6Al-4V的失效机理存在由韧窝、拉伸韧窝至台阶及河流花样的演化过程,材料的失效模式主要表现为韧性断裂。     

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.     

Influence of residual stresses on the tensile strength of composite-metal sandwich laminates

The tensile strength of boron-epoxy/aluminum sandwich laminates is discussed relative to the residual thermal stresses which are present as a result of curing and bonding at an elevated temperature. It is shown that the sandwich laminates investigated in this study exhibit three distinct modes of failure depending upon the fiber orientation of the composite. Sandwich laminates with moderate-to-high percentage of 0-deg fibers exhibit early failures initiated by edge effect; laminates with moderate to high percentage of 90-deg fibers fail according to a first-ply failure criterion; laminates with moderate-to-high percentages of ±45 deg plies fail at strains equal to or greater than the failure strain of the corresponding all-composite laminate.     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料 进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/ SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经 历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着 温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强 度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/ SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

Strain and failure analysis of graphite/epoxy plates with cracks

The objective of this investigation was to study the deformation and failure of uniaxially loaded graphite/epoxy plates with cracks and to determine the influence of notch size on failure. The specimens were quasi-isotropic laminates with cracks of various lengths. They were instrumented with strain gages, photoelastic coatings and moiré grids. Strains near the crack tip show two distinct points of rate change at strain levels of 0.002 and 0.006, the latter corresponding to the ultimate strain of the 90-deg plies. Failure near the crack tip takes the form of a damage zone consisting of ply subcracking along fibers, local delamination and fiber breakage. Failure occurs when this damage zone reaches some critical value. Measured maximum strains at failure exceeded twice the ultimate strain of the unnotched laminate. The average stress over a characteristic distance (5 mm) from the crack tip was used as a criterion to describe the influence of crack length on failure. Comparison of results with those from similar specimens with circular holes showed that strength was nearly independent of notch geometry in this case, i.e., specimens with holes and cracks of the same size had nearly the same strength.     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

STUDY ON TENSILE FAILURE MECHANISM AND HYBRID EFFECT OF INTRAPLY HYBRID COMPOSITES

The random critical-core model is adapted to investigate the tensile failure mech-anism and hybrid effect of unidirectionally arrayed hybrid composites with alternating low andhigh elongation fibers.By utilizing the model in conjunction with the results of the stress con-centration analysis in which the interfacial damage between fiber and matrix is considered,amicroscopic statistical analysis of both the first failure and ultimate failure of hybrids is per-formed.The variations of the first failure strain,the ultimate failure strain and the hybrid effectas the interfacial shear strength are obtained quantitatively.The concept of the hybrid effect forstrains has been clarified.The present results are compared with available experiment data anda reasonable agreement is found between the analytical predictions and the experimental results.     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或"牵引式滑坡"。     

酚醛层压材料的冲击力学行为及本构模型

为了研究酚醛层压材料的冲击力学行为并获得本构模型,利用万能试验机和整形修正的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对材料试样进行了应变率范围为10-3~103 s-1的单轴压缩实验,得到了不同加载应变率下的应力应变曲线,对其在准静态、动态载荷下的压缩破坏机理进行了初步探讨。结果表明,酚醛层压材料具有较强的应变率效应,与准静态(1.67×10-3 s-1)时相比,在动态载荷(7×102 s-1)下,峰值应力增加了约10倍;破坏应变减少了约一半;在准静态和动态加载条件下试样力学性能的差异是由于纤维基体界面特性以及不同应变率下破坏模式的不同;采用朱-王-唐本构方程描述了酚醛层压材料力学行为,拟合得到了本构方程的系数,在加载过程中,理论计算值与实验结果吻合较好。     

冰在低温下的单轴压缩力学行为和破坏机制

利用带有低温装置的Instron5848材料实验机和分离式Hopkinson压杆装置（SHPB）,在-10℃、-20℃和-30℃温度下,对多晶冰进行了应变率为10-4~102S-1范围内的单轴压缩力学性能实验,分析了实验结果的可靠性和有效性。研究发现：冰的压缩强度具有明显的温度和应变率敏感性,随应变率的增大、温度的降低而提高;压缩强度与应变率对数呈线性关系,应变率的升高会增强降温对压缩强度的强化效应。在研究的应变率和温度范围内,冰主要有径向膨胀、纵向劈裂和整体破碎三种破坏模式,裂尖能量得不到及时释放、冰体内氢键强度和裂纹滑移摩擦阻力增大是导致冰破坏模式不同和压缩强度增大的原因。     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。