颗粒增强复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力－应变场．对旋转体和非旋转体颗粒增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算，数值与实验结果对比表明，该方法是有效的、可靠的．分析了颗粒的排列分布、颗粒取向和颗粒的几何形状对有效模量的影响．数值结果表明，颗粒的排列对有效轴向弹性模量影响较大．颗粒的取向和颗粒的形状对有效性能的影响也是显著的     

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．     

考虑粒子分布特征的复合材料细观力学方法

研究了颗粒增强复合材料中颗粒增强体粒径分布对复合材料力学性能的影响,利用分形思想将增强粒子的概率分布特征考虑进来,对已有的复合材料细观力学等效夹杂方法进行修正,建立了一个考虑粒子统计分布的细观等效力方法.以混凝土为例,分析了颗粒增强体体积含量、夹杂与基体的模量比和分形结构的分辨率对复合材料力学性能的影响.结果表明,这种新方法能够适用于分析颗粒增强复合材料的细观结构对力学性能的影响.     

加筋材料的格形模型和统计数值方法

本文采用格形化方法和统计技术建立加筋复合材料有限元力学模型，使用自动选取载荷步长方法和非平衡迭代技术，对加筋复合材料的宏观等效模量和破坏全过程进行了数值模拟，分析了材料分布的非均匀程度，相对体积比和横截面加筋分布方式对加筋复合材料整体宏观等效模量和承载力的影响。     

Z-pin复合材料细观模型固化残余应力研究

针对植入Z-pin后碳纤维增强复合材料的微观结构，通过施加Z-pin周期性边界约束条件，建立了Z-pin复合材料单层板单胞细观模型．考虑固化过程中树脂体积收缩、弹性模量随固化度变化和纤维因Z-pin进入偏转因素，运用有限单元法计算了单胞结构在固化成型工艺过程中树脂和纤维应力发展和分布，并研究了Z-pin直径和分布密度对单层板面内残余应力的影响．结果表明：凝胶点之前，树脂模量和残余应力很小，凝胶点之后，树脂模量和残余应力增加较快；残余应力分布与纤维偏转有关；Z-pin直径和分布密度增加会使固化残余应力增大．     

NiMnGa颗粒/环氧树脂复合材料的力学性能研究

将通过球磨法获得的Ni2MnGa颗粒与双酚A二缩水甘油醚环氧树脂混合均匀并常温固化,制备出相应的复合材料试件;通过拉伸-卸载试验研究了NiMnGa颗粒对树脂基体的增强效果;以试验为基础,从细观力学的角度分析了NiMnGa颗粒对树脂基复合材料弹性特性的影响;采用商用有限元软件Abaqus,对NiMnGa/树脂复合材料单胞模型进行了仿真计算。分析结果表明:随着NiMnGa颗粒体积含量的增加,试件的拉伸模量和剪切模量增大、泊松比减小;随着椭圆NiMnGa颗粒长短半轴比的减小,复合材料纵向泊松比增加、纵向拉伸模量减小,横向拉伸模量呈先减后增的趋势,剪切模量则呈先增后减的趋势。通过对比可知试验值、理论值、有限元模拟值数值相近且变化趋势一致。     

颗粒增强复合材料有效弹性模量预测的多步法

提出了一种用于预测颗粒增强复合材料有效弹性模量的多步法.将基体与部分颗粒均质化为一种混合物,计算得到其力学性能后再当成新的基体,如此反复,直到计算出复合材料的有效模量.利用四种多步法计算了不同填充分数和不同模量比复合材料的有效弹性模量,并与全尺寸有限元计算结果进行了对比.结果显示,低体积分数下多步法结果与有限元模型计算结果误差较小,并随着体积分数的提高而增大,其中FEM-FEM法精度最高.有限元多步法可有效解决因复合材料填充比高、颗粒尺寸相差大而造成的计算模型过大等困难,可在一定精度要求下代替全尺寸有限元预测复合材料有效性能.     

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的细观强度分析

陶瓷颗粒增强金属基复合材料的失效主要有界面脱粘、增强粒子开裂等新的细观结构损伤机制。为了减小这些不足并对细观失效过程有一个清晰的了解,近来人们对金属基复合材料进行了大量研究,在此基础上,本文用细观力学的方法和损伤模型研究了陶瓷颗粒增强金属基复合材料的强度和损伤失效。为了计算方便,陶瓷颗粒简化为在复合材料中随机分布的椭球形粒子,然后以二相胞元模型计算分析了金属基体、颗粒中的应力应变分布情况,结果表明,基体中应力极不均匀,界面区存在应力集中,并计算了界面弧形裂纹扩展时的能量。最后分别提出了基体,颗粒和界面的失效强度准则,本文结果对于颗粒增强金属基复合材料具有普遍的实用性。     

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.     

不同模量弹性问题理论及有限元法研究进展

随着科学技术的日益发展，对材料力学性质的研究提出了更高的要求，研制新型的材料以及挖掘材料自身特性的潜力，已成为新的研究动向．简述了不同模量弹性问题理论及其有限元法的研究与发展．利用等效的概念，对Ambartsumyan有限元计算模型、Jones有限元计算模型、张允真等有限元计算模型、叶志明等计算模型进行改进和探讨．通过不同模量弹性理论及其有限元方法在实际工程构件问题分析中的应用表明，若沿用相同模量弹性理论或有限元对有关问题进行计算，其结果将与采用不同模量模型材料所得的刚度和强度有较大的偏差。     

复合材料动态粘弹性能的细观研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了颗粒增强复合材料的动态粘弹性力学性能,分析了材料复模量随夹杂体积分数、载荷频率之间的变化规律,给出了许多有意义的结论,为复合材料结构的优化设计及应用提供了理论基础。     

编织复合材料弹性性能的细观力学模型

提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型，这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈，相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响，并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响．理论计算结果与实测值的比较，表明所提出的细观力学模型是合理的．根据理论分析的结果，提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法     

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．     

用多参数非均匀等效体研究圆柱正交异性复合材料的剪切有效模量

有效模量是复合材料力学细观解过渡到宏观解的桥梁。宏观非均匀复合材料的有效模量是一个尚未认真研究过的课题。本文提出用多参数非均匀等效体的新方法,来研究圆柱正交异性宏观非均匀复合材料的剪切有效模量,克服了最近Dhoopar B.L.和SinhaP.K提出的方法的一些不足之处。     

高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质

提出了一个细观力学模型,可用于预测高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质.该模型基于广义割线模量法、双球法以及Laplace-Carson变换技术.所提出的模型对玻璃微珠填充高密度聚乙烯(GB/HDPE)复合材料的应力应变关系进行了预测,结果与文献实验结果吻合;计算结果还表明在高体积百分比下文中所提出的方法比基于MT方法预测的粘性效应明显减弱;最后还将所提方法与线黏弹框架下的均质化模型做了比较,结果表明GB/HDPE表现出明显的非线性,线黏弹本构无法描述应变率对其力学行为的影响.     

用广义胞元法研究弱界面复合材料偏轴拉伸强度

本文用广义胞元法结合应力集中系数模型，从细观、宏观力学结合的角度，预测了弱界面复合材料偏轴拉伸强度值．用广义胞元法/高精度广义胞元法计算复合材料开裂前和开裂后的应力场，引入基体应力集中系数以得到基体真实应力．在计算真实应力时根据宏观试验现象考量是否对界面开裂后的复合材料进行刚度衰减，最终形成4种方案计算出复合材料的偏轴拉伸强度．通过对比芳纶纤维和亚麻纤维两种弱界面复合材料的偏轴拉伸强度试验值，找到了最可靠的预报方案并具有良好的预报精度．     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

非理想界面对三相复合材料应力场的影响

对非理想界面的三相复合材料,提出了计算弹性应力场的微观力学模型,在适当的简化假设下,对带界相的颗粒增强和纤维增强复合材料,得到了应力场的计算公式。以剪切载荷为例给出了数值例子。给出的数值结果表明非理想界面对三相复合材料应力场的影响。     

改进的二维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,利用高阶理论的改进算法,对高精度通用单胞模型的计算方法进行了改进．模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系．改进高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约60％,求解时间大大缩短;并且消除了亚子胞的概念,同时解耦了横向与纵向的方程．该模型的计算结果与试验结果及理论计算结果具有较好的一致性．     

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。