极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

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.      

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。     

基于迟滞行为的2D-SiC/SiC复合材料组份力学性能分析

基于剪滞理论, 建立了单向纤维增强陶瓷基复合材料的加卸载理论模型, 分析了基体长碎块和短碎块对材料迟滞力学行为的不同影响. 通过拉伸循环加卸载试验, 获得了2D-SiC/SiC 复合材料的迟滞应力—应变行为.依据材料基体损伤特点, 将试验结果代入长碎块对应理论推导结果, 计算得到了4 个表征材料组份性能的参数:基体开裂应力为90 MPa, 热残余应力为19 MPa, 界面脱粘能为3.1 Jm2, 界面滑移力为74 MPa. 最后结合少量短碎块的存在对试验结果的影响, 定性分析了计算结果的偏差. 结果表明, 获得的材料组分性能参数具有较小的分散性, 并能够准确表征材料整体的力学行为.      

侧向受拉脆性岩石压缩本构及蠕变失效研究

轴向压缩作用下,脆性岩石侧向应力严重影响岩石力学特性。侧向压应力影响下的轴向压缩岩石力学行为已经得到广泛研究,然而侧向拉应力对轴向压缩岩石力学行为影响研究很少。本文基于脆性岩石翼型裂纹扩展模型中,初始裂纹面法向应力与剪切应力的正负方向为判断依据,研究了侧向拉应力对轴向压缩力学行为的影响。发现恒定的侧向拉应力作用下,轴向压缩应力渐进变化过程中,脆性岩石内部细观初始裂纹面的法向应力只能为压缩应力,不存在拉应力情况。分析了从侧向压应力到拉应力转化过程中,脆性岩石轴向压应力与细观裂纹扩展长度关系、轴向压应力与轴向应变关系、岩石峰值强度、裂纹启裂应力及初始弹性模量的变化规律。并分析了侧向拉应力对岩石蠕变裂纹长度、裂纹速率、轴向应变及应变率演化曲线,以及对蠕变失效时间及稳态蠕变应变率的影响。讨论了侧向拉压应力突变转化以及侧向拉应力分级增大对轴向压缩岩石蠕变演化行为影响。该研究为深部地下工程围岩稳定性评价提供了一定理论依据。     

含水率和围压对安家岭泥岩峰后力学特性影响的试验研究

为分析含水率和围压对泥岩峰后力学特性的影响,从山西安家岭矿取泥岩,制成不同含水率的5组试样,在YAW2000电液伺服试验机上开展了三轴试验,获得了不同含水率泥岩试样三轴全程应力应变曲线,使用激光共聚焦显微镜观测了泥岩增水过程中微观结构变化。利用试验结果,分析了围压和含水率对泥岩峰值强度、残余强度、弹性模量、破坏应变和脆性模量的影响规律和泥岩增水过程中微观结构的变化规律。引入脆性模量系数和强度退化指数来描述围压对泥岩峰后强度退化过程和残余强度的影响,与FLAC中的SS模型结合,建立了考虑围压影响的泥岩应变软化力学模型,模拟了围压对泥岩应变软化行为的影响。研究结果表明:(1)随着围压增加,泥岩的峰值强度、偏应力峰值、破坏应变和残余强度都增长,峰后强度降低速率趋缓,强度退化指数和脆性模量系数可以较好地描述围压对泥岩残余强度和峰后强度退化过程的影响。(2)泥岩增水过程中,岩样内微裂隙及尺寸增长,泥岩的力学性质劣化。随着含水率增加,泥岩的弹性模量、峰值强度和残余强度降低,破坏应变增长。含水率与泥岩的弹性模量、峰值强度和破坏应变之间近似服从线性关系。(3)本文基于脆性模量系数的岩石应变软化模型能较好地描述三轴压缩泥岩的全程变形行为。     

冲击载荷下Al_2O_3陶瓷材料的动态力学行为和响应

采用分离式Hopkinson压杆实验装置和ABQAUS软件,对氧化铝陶瓷材料进行冲击压缩实验和有限元数值模拟;分析了此类材料中的应力-应变关系、应力波的传播特性和冲击动态响应。结果表明:氧化铝陶瓷的极限强度和应力波波速均随着应变率的增加而明显增加,应变率效应明显;氧化铝陶瓷材料属于递减硬化材料,随着应变的增大,应力波的波速降低,动态切线模量逐渐减小;当应变率增加50%时,此类材料的应力、应变、速度、加速度等参量的冲击动态响应分别增加约68.67%、77.42%、22.84%、25.75%。     

PBX-1炸药的力学性能和本构关系

PBX的力学行为对其安全性有重要影响。为研究PBX-1的力学性能，以PBX-1为研究对象，进行准静态力学实验和SHPB（分离式霍普金森压杆）实验研究。结果表明，准静态压缩实验中，试样的裂纹出现在与加载方向大约成45°的最大剪应力方向。SHPB实验中，在应变率100～1 500 s?1范围内，随着应变率的提高，PBX-1炸药的动态屈服强度、动态压缩强度和破坏应变不断提高。动态屈服强度逐渐从静态的2.77 MPa增加至16.1 MPa；压缩强度从7.46 MPa增加至16.1 MPa，破坏应变从6.23%增加到26.4%。同时，基于Z-W-T模型，建立了一种含损伤的动态黏弹性本构模型，在330～1 500 s?1应变率范围内具有较高的精度，可以较好地描述PBX-1炸药在达到破坏前的动态力学行为。     

含水率对非饱和钙质砂动力特性影响的试验研究

使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态压缩试验，试样的平均应变率为209～1 137 s?1。试验结果表明:半导体应变片灵敏系数和压杆弥散关系的标定对试验结果的准确性具有重要影响；当钙质砂应变小于0.025时潮湿试样的切向模量高于干燥试样，而在应变大于0.025时则相反；潮湿钙质砂的切线模量随含水率的增加先减后增。通过分析非饱和钙质砂在锁变后其轴向应力应变曲线及侧压力系数的变化规律，提出了非饱和钙质砂锁变现象的模型。     

围压状态下的混凝土本构模型

利用已有不同围压下的混凝土三向压缩试验, 分析研究不同围压条件对混凝土强度和应力-应变关系的影响。试验表明, 把混凝土简单视为脆性材料的观点并不符合实际情况, 塑性特征也是混凝土材料主要力学特征。由热力学定律出发, 本文提出了多次方形式的屈服函数和与围压状态相关联的损伤标准化函数, 提出了考虑围压状态的混凝土本构模型。试验结果与数值计算比较表明, 该本构关系可以很好地描述混凝土在不同围压状态下的力学损伤发展和脆-塑性转换力学特征, 也可以描述拉伸作用下的应力-应变关系, 具有一定的普遍意义。     

2.5维自愈合C/SiC复合材料弹性性能预测

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料（2.5D-C/SiC）的面内弹性性能。根据复合材料的细观结构特点,建立了2.5D-C/SiC的弹性模量预测模型。计算结果与试验值吻合较好,证明了模型及计算方法的正确性。通过改变经纱编织角、纤维束中纤维数以及经纱穿过纬纱的层数,得到了经纱体积含量、纬纱体积含量、纤维总体积含量以及弹性模量随上述参数的变化规律。保持碳化硅与碳化硼总体积分数不变,改变碳化硼与碳化硅的体积比α,得到了弹性模量随α的变化关系。     

The study on the compressive behavior of ptfe/al energetic composite

金属/氟聚合物含能复合材料是一类新型的高级含能材料. 研究了室温下Al含量和应变 率对PTFE/Al含能复合材料压缩性能和反应性能的影响,所加载的应变率为6\times 10^{-3}s^{-1}\sim8\times 10^{3}s^{ -1}. 材料压缩性能的应变 率效应明显：与静态加载相比,动态加载下材料模量和强度明显提 高,但应变降低. 材料的损伤过程主要包括塑性变形、开裂和反应3部分. 随着Al含量的增 加,材料准静态和动态压缩强度均呈先升后降的趋势,在 Al含量为35\%时达到 最高值102.6 MPa和154 MPa; 引发反应所需加载的应变率增加,但对应的应力值 差别不明显,基本在165 MPa左右, 材料引发后反应完全性降低.     

理想八面体点阵结构力学模型优化及力学性能测试分析

利用光固化立体成型技术(SLA)制备了不同相对密度的光敏树脂基体理想八面体结构,并对其进行紫外 固化处理,通过理论计算、实验测试以及数值模拟的方式对八面体点阵结构的力学性能进行了分析．实验结果 表明八面体点阵结构的压缩模量以及抗压强度随着相对密度的增加而上升,相对密度从 11.3 %提升至 27.9 %, 弹性模量上升了 3.5倍左右,抗压强度上升 2.6倍左右．利用 ABAQUS有限元软件对实验过程进行了模拟,数 值模拟结果与实验结果具有良好的一致性．在理论计算中,对 Deshpande 等提出的八面体点阵结构计算模型 （DFA模型） 进行了修正,计算结果显示修正后的计算结果更接近实验值与模拟值．     

织造中碳纤维束间的摩擦磨损试验模拟

织造过程中碳纤维束的摩擦磨损会导致成型后复合材料制件的机械性能下降. 采用自制的试验装置模拟织造过程中经纬纱线间的相互作用，研究了法向负载、预加张力和摩擦速率对碳纤维束摩擦磨损行为的影响. 结果表明:碳纤维束的摩擦系数随着法向负载的增加而减小，其磨损程度随着法向负载的增加而增大，相对应的碳纤维束拉伸断裂强力也逐渐下降；碳纤维束的摩擦力和摩擦系数因实际摩擦接触面积的变化随预加张力的增加而增大；摩擦速率的增加几乎不影响碳纤维束的摩擦力和摩擦系数，但延长了其测试值达到稳定所需的周期数.      

类岩石材料力学特性的试验及数值模拟研究

在进行多组不同配比类岩石材料单轴压缩试验和巴西试验的基础上,详细分析了石膏水泥比和石英砂含量对类岩石材料的单轴抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学参数的影响规律,力图找到适合模拟现场砂质泥岩的类岩石材料及配合比。利用颗粒流程序(PFC)模拟,进一步研究了高径比和围压对类岩石材料力学特性的影响。结果表明:随着石膏水泥比的增大,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,而抗拉强度逐渐增大;随着石英粉含量的增大,抗压强度和弹性模量均先增大后减小,而抗拉强度则为先减小后增大。结合单轴压缩过程的声发射特征,揭示了裂纹扩展与声发射有密切的关系。PFC2D模拟获得的力学参数与室内试验相近,破裂模式也与实际情况相似。通过尺寸效应的研究可知试样的高径比在2.0~2.5较合理。随着围压的增大,试样的峰值强度、残余强度、峰值应变及弹性模量等力学参数均增大,且围压会改变试样的破裂模式。     

Experimental Determination of Cohesive Zone Models for Epoxy Composites

In this work, a new test set-up was applied in order to determine cohesive zone models experimentally. A high speed camera in combination with a digital image correlation system was used to record the local displacements enabling the detailed determination of crack opening values. The J-Integral method was used to calculate the cohesive stresses. The analyzed materials were composites made of glass fiber reinforced epoxy resin layers. Two different specimen geometries and the difference between warp and weft of the glass fiber mats were analyzed. As the specimen geometry didn’t have a significant influence, the difference between warp and weft, regarded by the loading direction, lead to considerably different cohesive zone laws. The initial part, the linear increase to a maximum stress, was very similar, while the damage evolution was either exponential or bilinear in shape. In future work, the derived cohesive zone models will be used to perform finite element simulations on laboratory specimens and on component scale. Thus, by comparison to the measurement result, the cohesive zone models can be evaluated.     

THE IMPACT MECHANICAL PROPERTIES OF COAL CONTAINING GAS1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

NONLINEAR MICRO－MECHANICAL MODEL FOR PLAIN WOVEN FABRIC

The warp yarns and weft yarns of plain woven fabric which, being the principal axes of material of fabric, are orthogonal in the original configuration, but are obliquely crossed in the deformed configuration in general. The orthotropic constitutive model is unsuitable for fabric. In the oblique principal axes system the relations between loaded stress vectors and stress tensor are investigated, the stress fields of micro-weaving structures of fabric due to pure shear are carefully studied and, finally, a nonlinear micro-mechanical model for plain woven fabric is proposed. This model can accurately describe the nonlinear mechanical behavior of fabric observed in experiments. Under the assumption of small deformation and linearity of mechanical properties of fabric the model will degenerate into the existing linear model.