混掺精细钢纤维/PVA水泥基复合材料单轴抗压试验及本构模型研究

通过进行10组30个精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基棱柱体的单轴抗压试验,测得其应力-应变曲线和抗压强度,分析了单掺与混掺情况下纤维掺量对材料抗压性能的影响.试验结果表明:混掺精细钢纤维对提高材料抗压性能有利,包含0.4%精细钢纤维的混掺试件轴心抗压强度较单掺对比组提高了7.5%,峰值应变提高了58%.基于试验数据,建立了适用于精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基材料的轴心受压应力-应变本构模型,模型结果与试验曲线吻合良好.     

钢纤维增强混凝土的断裂破坏研究

在钢纤维增强混凝土的断裂力学性能的实验研究中,利用数字图像相关技术对素水泥砂浆试件和钢纤维增强水泥砂浆试件进行裂纹尖端的位移场测量,求解不同纤维分布情况下的应力强度因子从而进行增强性能的分析比较.对于单纤维桥联增强的情况,实验结果与Carpinteri的模型计算结果进行了分析比较,证明这种图像和数据处理方法对裂纹尖端的纤维位增强特性分析是有效可行的.     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

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.      

一种用于动态拉伸试验装置的新型试件装卡方式

针对杆杆型动态拉伸试验系统设计了一种新型的楔形卡口试件装卡方式.利用ANSYS/LS-DYNA软件,建立采用该新型试件装卡方式的直接式杆杆动态拉伸系统的三维有限元模型,并进行数值仿真试验.得到的波形与SHB(Split Hopkinson Bar)试验典型波形相符合,得到的动态应力应变曲线与输入材料模型曲线趋势是一致的.利用这种装卡方式对一种2024铝合金进行动态拉伸试验,得到的动态拉伸应力应变曲线与利用SHPB试验得到的动态压缩曲线基本一致,证明这种新型试件装卡方式是有效的.     

云纹干涉法研究复合材料构件的应力强度因子

本文采用贴片云纹干涉法，测试并研究了正交异性板纯弯试件及拉伸试件的应力强度因子。文中给出了复合材料纤维加强方向不同时位移与应力强度因子的关系式，通过测试得出受力模型的全场位移，给出云纹图，进而由裂纹尖端位移场推算出应力强度因子Ｋ１及Ｋ值。试验结果与有限元计算结果吻合良好。     

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.      

一种聚酯帘线单向拉伸试验的新方法

提出了一种适合聚酯帘线单向拉伸试验的新方法(简称减法试验法).该方法首先进行不同长度试件的单向拉伸试验;然后对获得的任意两个差别较大的载荷-位移曲线实施位移减法,从而得到消除了端部效应的新的载荷-位移曲线(其对应试件的长度为原两试件长度之差);进而得到相关的力学参数.本文的试验和相关分析表明,直接的单向拉伸试验存在明显的端部效应,必须予以消除,且在同一载荷下端部效应与试件的长度无关;同时又表明本文所提出的减法试验法是有效的,能够获得聚酯帘线较真实可靠的应力应变曲线和相关力学参数.     

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°)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.     

圆钢套管-钢纤维水泥砂浆加固预损RC柱轴压性能研究

圆钢套管-钢纤维水泥砂浆外包加固RC柱是一种新型的加固技术。钢纤维水泥砂浆比普通混凝土砂浆在韧性、抗裂性和延性方面都有明显的提高,并且钢套管加固混凝土柱的强度和延性有很大程度的提高。以预加载普通钢筋混凝土柱峰值荷载的百分比作为柱子受损程度指标：加载极限荷载的60%为一级损伤、80%为二级损伤、100%为三级损伤。总共设计了7根试件,分别以钢套管径厚比、RC损伤程度、预损柱离散性作为影响因素进行轴心受压性能研究。在试验研究的基础上,建立了复合加固钢筋混凝土圆形截面短柱轴压承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。     

一种新的界面脱粘和纤维拔出模型

对纤维增强复合材料中界面的脱粘和纤维的拔出行为进行了研究,通过纤维间距d来考虑纤维之间的相互影响,改变脱粘段的剪切强度和粘结段的临界能量释放率,推导出了纤维拉拔荷载和纤维脱粘长度之间的变化关系,与StangH的模型进行了对比,当纤维间距较大时,纤维之间的相互影响相对较小,此时与StangH的单根纤维拉拔情况较为相符,但当纤维间距较小时,由于临近纤维的影响,使得在相同脱粘长度的情况下,纤维拉拔荷载和纤维拔出端位移有减小的趋势,改变复合材料板层的厚度,由于影响了基体的变形,界面的脱粘和纤维的拔出行为也受到了相应的影响。     

高导无氧铜杆高应变率拉伸下的颈缩与断裂

采用Hopkinson拉伸实验装置和一种高速拉伸断裂实验新装置,对高导无氧铜(OFHC)杆件进行了一系列高应变率拉伸断裂试验.实验结果表明,局部化的断裂应变随拉伸速度增大并不明显增大,其断裂位置有随机性.存在一种临界拉伸速度,当冲击拉伸速度大于此值时,断裂即发生在冲击拉伸端附近,杆的其它部分几乎无应变.采用典型的Johnson-Cook本构关系,使用LS-DYNA程序进行一系列数值模拟,提出颈缩处直径收缩率达极值的颈缩失效判据,由此计算所得的局部化颈缩应变及断裂位置与试验回收结果有一定差别.     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

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.      

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.     

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

混凝土单轴受拉的非局部本构模型

混凝土受拉本构行为存在很强的局部软化现象,使得单轴受拉试验无法给出应力-应变关系,而只能给出应力-位移关系。本文根据内变量理论和等效应变假设建立了基于真实应变的混凝土单轴受力本构方程,并根据Weibull分布可以描述混凝土等脆性材料断裂过程的试验现象,建立了关于弹性应变的损伤演化规律。然后,通过假设平均应变与真实弹性应变的函数关系,在应力-平均应变的本构关系中采用平均弹性应变以描述其非局部行为,而在材料的损伤演化规律中采用真实弹性应变以描述其局部行为,由此建立了单轴受拉荷载条件下的非局部本构模型。最后,对一个单调受拉试验和一个反复受拉试验的仿真结果表明所提出的非局部本构模型可以准确地模拟试验结果。     

Homogenization of long fiber reinforced composites including fiber bending effects

This paper presents a homogenization method, which accounts for intrinsic size effects related to the fiber diameter in long fiber reinforced composite materials with two independent constitutive models for the matrix and fiber materials. A new choice of internal kinematic variables allows to maintain the kinematics of the two material phases independent from the assumed constitutive models, so that stress–deformation relationships, can be expressed in the framework of hyper-elasticity and hyper-elastoplasticity for the fiber and the matrix materials respectively. The bending stiffness of the reinforcing fibers is captured by higher order strain terms, resulting in an accurate representation of the micro-mechanical behavior of the composite. Numerical examples show that the accuracy of the proposed model is very close to a non-homogenized finite-element model with an explicit discretization of the matrix and the fibers.     

A tension split Hopkinson bar for investigating the dynamic behavior of sheet metals

The dynamic response of sheet metals at high strain rate is investigated with a tensile split Hopkinson bar test using plate type specimens. The tension split Hopkinson bar inevitably causes some errors in the strain at grips with the plate type specimens, since the grip and specimens disturb the one-dimensional wave propagation in bars. To validate the experiment, the level of error induced from the grips is estimated by comparing the waves acquired from experiments with the Pochhammer-Chree solution. The optimum geometry of the specimen is determined to minimize the loading equilibrium error. High strain rate tensile tests are then performed with auto-body sheet metals in order to construct their appropriate constitutive models for use in crash-worthiness evaluation.     

应用杆束系统研究水泥砂浆节理面的压剪动特性

基于分离式Hopkinson压杆系统提出一套Hopkinson束杆装置,研究水泥砂浆节理面在压剪复合加载下的动态界面滑移特性。应用三根小杆作为接收杆,分别采用单杆和三杆两种入射方式,对含有节理面的水泥砂浆试件进行冲击加载。在节理面发生滑动时,由三根接收杆测试得到水泥砂浆试件不同位置滑移状态,进而得出节理面的整体滑移速度。此研究初步揭示了节理面在发生滑移时的局部滑移状态以及整体滑移状态,为节理面的动摩擦特性研究提供了较可靠的实验技术。     

Bending and buckling of a class of nonlinear fiber composite rods

An investigation of the mechanics of bending and buckling is carried out for a class of nonlinear fiber composite rods composed of embedded unidirectional fibers parallel to the rod axis. The specific class of composite considered is one in which the fibers interact with the matrix through a nonlinear Needleman-type cohesive zone [Needleman, A., 1987. A continuum model for void nucleation by inclusion debonding. ASME J. Appl. Mech. 54, 525-531; Needleman, A., 1992. Micromechanical modelling of interfacial decohesion. Ultramicroscopy 40, 203-214]. The primary decohesive mechanism active in bending and buckling of these composite rods is shear slip along the fiber-matrix interfaces allowing the use of a previously developed constitutive relation for antiplane shear response [Levy, A.J., 2000b. The fiber composite with nonlinear interface—part II: antiplane shear. ASME J. Appl. Mech. 67, 733-739]. The formulation requires the specification of a potential interface force-slip law that is assumed to permit interface failure in shear.Four cases of the bending and shearing of beams (concentrated or uniform load on a cantilever or a simply supported beam) are analyzed, each of which exhibits qualitatively distinct response. For certain values of interface parameters, the beam deflection or its gradient at a fixed location can change discontinuously with load. Furthermore, for interface parameter values within a certain range, singular surfaces will exist in uniformly loaded beams where there is a non-uniform distribution of shear stress along the beam length. These singular surfaces divide the beam into regions of maximal and minimal fiber slip and propagate with a rate that varies inversely as the square of the applied load. For other parameter values, singular surfaces will not exist and fiber slip will be diffuse.For the class of nonlinear composite considered, bifurcation and imperfection buckling of pinned-pinned columns is analyzed. For bifurcation buckling, a nonlinear eigenvalue problem is derived and the solution is obtained by Galerkin's method. It is demonstrated that critical loads are influenced by the initial slope, and hence the linear portion, of the interface force-slip relation but the post-buckling response, which in some sense resembles that of plastic buckling, is affected by the entire interface constitutive relation. Imperfection buckling is analyzed in a similar manner by assuming a slight initial curvature of the rod. Sensitivity of the response to imperfection magnitude is discussed as well.