纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能，探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型，分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤；建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层；编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板，SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优，其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好，表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层；SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

缝合复合材料层合板拉伸疲劳损伤及其机理

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.      

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ 缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复 合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进 行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚 附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的 发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自 由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.     

缝合复合材料层板低速冲击损伤研究

通过三维动力学有限元法,以空间杆单元模拟缝线的增强作用,建立了缝合复合材料层板在横向低速冲击载荷作用下的渐近损伤分析模型。该模型考虑了缝合层板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层等五种典型损伤形式,采用基于应变描述的Hashin失效准则和Yeh分层失效准则,并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序以实现相应损伤类型的判断及其材料性能退化。针对相同铺层的缝合与未缝合层板,模拟了低速冲击作用下的冲击响应和渐进损伤过程,数值结果与试验吻合较好,证明了该方法的合理有效性。同时探讨了冲击速度、缝合密度等对缝合层板冲击响应和损伤的影响。结果表明：有、无缝合层板的低速冲击响应具有类似的变化规律,缝合能够有效减小冲击损伤面积。随着缝合密度和缝线强度的增大,缝合对冲击损伤的抑制作用更为明显。     

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．     

低速冲击下纤维/金属层合板抗分层性能研究

本文采用内聚力模型,对纤维/金属层合板(FMLs)在低速冲击载荷作用下抗分层性能进行研究。内聚力模型对裂纹的模拟具有它独特的优势：一是该模型不需要预先假设初始缺陷;二是在计算过程中随着裂纹的扩展,该方法不需要重新对结构进行网格划分。借助该模型,本文对低速冲击载荷作用下,纤维层合板(FRP)分层进行了模拟,并验证了该模型计算的有效性。在此基础上,本文研究了低速冲击载荷作用下,不同金属含量的纤维/金属层合板抗分层性能,并与纤维层合板进行了比较。最后从能量的角度讨论了金属含量与铺层结构对FMLs低速冲击性能的影响。     

石英纤维布氰酸酯树脂基复合材料的环境试验性能研究

对石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料进行了常温、低温和湿热三种环境下的拉伸、压缩、面内剪切、层间剪切和钉孔挤压等试验研究,得到了该复合材料的拉伸压缩面内剪切的强度和弹性模量以及层间剪切强度和钉孔挤压强度等力学性能参数。结果表明:石英纤维布增强氰酸酯树脂基复合材料的力学性能参数具有温度相关性。在低温环境下,力学性能参数不同程度地增强,最大增长量达40%;而在高温环境下,力学性能参数则明显下降,最高下降量达到56%。另外,由于复合材料的层间性能主要由基体决定,所以湿热环境对复合材料层间性能的影响很大,在工程实际中应特别关注。     

大开口复合材料层合板强度破坏研究

复合材料层合板的各向异性及非均质,使得复合材料层合板内部的破坏形式非常复杂.在复合材料结构的设计中,为满足制造及使用功能上的需求,在复合材料层合板承力结构件上不可避免地需要设计各种开口.然而,含大开口复合材料层合板的强度破坏问题变得更为复杂,使得现有的强度理论面临新的挑战.针对碳纤维增强复合材料大开口层合板受单向拉伸载荷作用下的强度破坏问题进行了数值分析和实验研究.首先,根据Hashin准则和刚度退化模型,对含不同圆形开口尺寸的[0]_(10)单向铺层、[0/90]_5和[±45]_5正交铺层的层合板,进行了单向拉伸载荷作用下渐进失效的数值模拟分析,获得了对应结构的极限载荷和破坏模式.在此基础上,采用数字图像相关方法,进行复合材料大开口层合板强度破坏的实验研究.研究结果表明,大开口复合材料层合板在单向拉伸加载下主要呈现脆性破坏形式,破坏起始位置处于应力集中区.此外,破坏强度和失效模式与复合材料铺层方式和开口尺寸大小密切相关.其中[±45]_5铺层的开口层合板承载能力最弱,分层破坏最严重.开口尺寸越大,结构的极限载荷值越低.同实验测试结果相比,数值模拟对复合材料层合板的损伤失效分析略显不足,往往很难全面分析复合材料层合板破坏失效过程中的各种因素的影响.     

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探讨了载荷重构技术在智能化复合材料结构健康监测中的应用，着重针对一个自感 知复合材料层合板的载荷重构进行了研究. 首先，基于弹性波动理论和层合板理论，建立了 低速冲击载荷作用下正交铺层层合板的前向波动模型的状态空间表达式；通过构造误差指标 $J$, 应用优化求逆重构了载荷时程和载荷的作用点，并应用算例对以上方法进行了验证.     

非对称铺层复合材料层合板质量优化设计

复合材料广泛应用于航空航天等领域,追求轻量化设计已经成为研究重点。对复合材料层合板质量优化设计,可以减少层合板的纤维用量,减小层合板的质量,降低成本。首先研究复合材料层合板在承受轴向载荷时,产生的形变量、应力示意图,分析容易发生失效部位;以层合板铺层厚度为设计变量,最大应变、铺层比例等为约束条件,最小化层合板质量为优化目标,对碳纤维复合材料层合板铺层厚度等设计变量进行优化,利用强度理论对优化结果进行校核,结合力学试验对比分析优化前后层合板力学性能。结果表明:碳纤维复合材料层合板经过优化后,总质量减轻约16.7%,优化后的层合板满足复合材料强度理论,实验结果与软件仿真具有一致性,说明优化方法是合理可靠的。     

缝纫复合材料层合板面内拉伸强度研究

旨在研究由缝纫引起的材料弹性性质的变化并对缝纫复合材料层合板面内拉伸强度进行理论预测。认为缝纫引起的面内纤维偏转是缝纫影响复合材料面内力学性能的主要原因，引入最大纤维偏转角和变形区宽度两个结构参数，提出了描述材料非均匀性的纤维弯曲模型。采用多层次多尺度模拟的方法得到层合板非均匀的材料性质。通过二维有限元分析对单向拉伸载荷作用下的面内强度进行理论预测，得到与试验数据相吻合的结果，进而分析了缝纫密度对拉伸强度的影响。     

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.     

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.      

A PREDICTIVE APPROACH TO THE IN-PLANE MECHANICAL PROPERTIES OF STITCHED COMPOSITE LAMINATES

This contribution attempts to model the alteration of the in-plane elastic properties in laminates caused by stitching,and to predict the in-plane effective tensile strength of the stitched composite laminates.The distortion of in-plane fibers is considered to be the main cause that affects the in-plane mechanical properties.A fiber distortion model is proposed to characterize the fiber misalignment and the fiber content concentration due to stitching.The undistorted region,the fiber distortion region,the resin-rich pocket and the through-thickness reinforcement section are taken into account.The fiber misalignment and inhomogeneous fiber content due to stitching have been formulated by introducing two parameters,the distortion width and maximum misalignment.It has been found that the ply stress concentration in stitched laminates is influenced by the two concurrent factors,the stitch hole and inhomogeneous fiber content.The stitch hole brings about the stress concentration whereas the higher fiber content at the local region induced by stitching restrains the local deformation of the composite.The model is used to predict the tensile strength of the [0/45/0/-45/90/45/0/-45]_(2s) T300/QY9512 composite laminate stitched by Kevlar 29 yarn with different stitching configurations,showing an acceptable agreement with experimental data.     

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。      

缝纫复合材料单向板面内力学性能的试验研究

对缝纫复合材料单向板在单向拉伸载荷作用下的面内力学性能进行试验研究,给出了缝纫密度、缝纫线直径对复合材料单向板面内拉伸强度的影响规律.研究发现复合材料的破坏模式与缝纫密度有关,对于中低密度缝纫的单向板其破坏模式为纤维断裂,而对于高密度缝纫的单向板其破坏模式为复合材料撕裂破坏.并从复合材料细观结构层次上揭示了破坏模式和拉伸强度与缝纫密度之间的内在关系.     

缝纫复合材料层合板面内弹性模量分析

基于对缝纫孔附近局部细观结构的分析，提出了一种预测缝纫复合材料层合板面内力学性能的理论模型．从分析缝孔单胞的纤维弯曲几何特征入手，最终得到单向板及层合板的弹性常数．通过有限元分析研究了缝纫参数对复合材料层合板面内等效模量的影响．研究结果表明，缝纫造成单向板及层合板面内材料性质的不均匀，随着缝纫密度和缝纫线直径的增加，层合板的等效模量逐渐降低．     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

Micromechanical simulation on strength and ductility of two kinds of Al-based nanostructural materials

The nanostructured Al-based composites possess the combination of high yield strength and good ductility. In this paper, a micromechanical model is presented to simulate the mechanical response of bimodal nanostructured Al and the particle-reinforced aluminum matrix composite(PAMC). The constitutive relations for different phases are addressed in the model, as well as the contribution of microcracks. Numerical results show that the model can successfully describe the enhanced strength and ductility of the bimodal nanostructured Al, and the predictions of the PAMC are in good agreement with the experimental data. It is worth noting that the strength and ductility are sensitive to the volume fraction of constituents and the distribution of microcracks in both bimodal nanostructured Al and PAMC. Therefore, the present theoretical results can be used to optimize the microstructure for improving the mechanical properties of nanostructured Al-based composites.     

铜和石墨对铁基含油自润滑复合材料机械及摩擦学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备了铁基含油自润滑复合材料,考察了Cu与石墨的含量对铁基含油自润滑复合材料的机模样性能、摩擦学性能及组织结构的影响,并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜及光学显微镜等对材料的组分、显微组织形态和结构以及磨损表面形貌等进行了系统的观察和分析,结果表明：添加适量Cu的Fe-Cu二元系材料的机械性能和摩擦学性能明显优于Fe系材料,这主要是因为Cu的加入改变了材料的微观结构。添加适量石墨的Fe-Cu-石墨三元系材料比Fe-Cu二元系材料具有更优异的摩擦学性能,但机械性能有所下降,这主要是由于石墨与油的协同润滑效应和石墨的加入改变了材料的微观结构所致。