基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响,通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能.均质化方法作为一种有效的设计方法,它从微观结构的角度出发,利用均匀化的概念,实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计.而当考虑非线性因素,均质化的实现就非常困难.本文利用双渐近展开方法,将位移按照宏观位移和微观位移展开,推导了非线性弹性均质化方程.通过直接迭代法,对非线性弹性均质化方程进行了求解,并给出了具体的迭代方法和实现步骤.本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB程序,对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算,对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比,对程序及迭代方法的准确性进行了验证.之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化,将其分为芯丝尺度和层间尺度.用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数,并将其作为层间尺度的材料参数.在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算,得到材料的宏观等效性能,并以实验结果为基准进行评价.     

基于迭代法的非线性弹性均质化研究

微观结构对复合材料的宏观力学性能具有至关重要的影响, 通过合理设计复合材料微观结构可以得到期望的宏观性能. 均质化方法作为一种有效的设计方法, 它从微观结构的角度出发, 利用均匀化的概念, 实现了对复合材料宏观力学性能的预测和设计. 而当考虑非线性因素, 均质化的实现就非常困难. 本文利用双渐近展开方法, 将位移按照宏观位移和微观位移展开, 推导了非线性弹性均质化方程. 通过直接迭代法, 对非线性弹性均质化方程进行了求解, 并给出了具体的迭代方法和实现步骤. 本文基于迭代步骤和非线性弹性均质化方程编写MATLAB 程序, 对3种典型本构关系的周期性多孔材料平面问题进行了计算, 对比细致模型的应变能、最大位移和等效泊松比, 对程序及迭代方法的准确性进行了验证. 之后对一种三元橡胶基复合材料进行多尺度均质化, 将其分为芯丝尺度和层间尺度. 用线弹性的均质化方法得到了芯丝尺度的等效弹性参数, 并将其作为层间尺度的材料参数. 在层间尺度应用非线性弹性均质化方法对结构进行计算, 得到材料的宏观等效性能, 并以实验结果为基准进行评价.      

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.      

光纤力学性能的试验研究

埋入式光纤传感器中,光纤与复合材料之间的相互作用会影响整个结构的力学性能。根据材料表界面学知识,光纤埋入复合材料中,与复合材料结构形成界面,该界面对复合材料的性能产生影响,因此光纤与复合材料之间形成的界面强度的研究意义重大。为了从本质上研究光纤埋入复合材料后对复合材料结构产生的影响,可采用单丝模型法等微观力学方法对光纤与复合材料之间形成界面的强度进行研究。根据理论,界面的剪切强度与光纤自身的拉伸强度有关,因此首先需要对光纤的力学性能进行研究。研究时探讨了两种试验方法,第一种为将光纤两端埋入环氧树脂槽的方法,采用此试验方法可得到光纤的弹性模量约为15GPa,第二种为缠绕的方法。并自制了小型拉伸试验机,在此试验机上进行大量拉伸试验,得到光纤拉伸强度为4.07GPa。     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性.同时,组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异.当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时,存在以下两个难点:一是随机变量众多,使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求;二是由于随机参数之间存在高维相关性,需要建立高精度的相关性模型.针对以上问题,本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法,综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数,基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性.该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布,并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递.结果显示,本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致,且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.     

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备。从高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞。在微观尺度以及宏观尺度, 理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法。建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题。最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法（第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型）,研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制。本文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望。     

高熵合金强韧化理论建模与模拟研究进展

高熵合金因其优异的性能受到广泛关注,如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨、高耐辐照、高耐腐蚀、高电阻、高耐热等,有望应用于核能、航天航空等重要领域和重大装备。从高熵合金制备、组织结构以及性能表征等方面开展的实验研究表明其独特的性质依赖于高熵合金高熵效应、晶格畸变和扩散迟滞。在微观尺度以及宏观尺度, 理论模型和数值模拟为研究高熵合金微观机理和力学特性提供了一种方法。建立从高熵合金的微观结构与变形机理到宏观独特力学性能的联系是一个多尺度的科学问题。最近,基于实验观察结果,采用多尺度的理论与模拟方法（第一性原理、分子动力学、离散位错动力学、晶体塑性有限元、微结构依赖的理论模型）,研究了高熵合金层错能、弹性模量、扩散系数以及相稳定性,揭示了高熵合金变形与强韧化机制。本文综述多尺度计算在高熵合金力学性能和变形行为方面的研究进展,并对高熵合金在原位变形实验、高通量技术以及机器学习方面的研究进行简要展望。     

大飞机研制中的若干复合材料力学问题

简要介绍了先进复合材料在当代大型飞机结构中的应用状况，以及相关的力学问题，着重论 述了复合材料及结构的工艺力学、跨尺度材料/结构一体化设计问题和力学性能表征、高效复 合材料结构设计和力学分析、复合材料损伤容限与耐久性设计、大型飞机的安全监测和管理 系统等. 指出，从目前国际上以及我国复合材料在大型飞机结构上的应用趋势来看，我们需 要进一步发挥广大力学工作者与相关领域科研人员和工程师的协同作用，提高我国复合材料 基础研究和应用水平，使复合材料在提升我国研制的大飞机的先进性和竞争力方面发挥重要 的作用.     

Multi-Scale Experiments and Interfacial Mechanical Modeling of Carbon Nanotube Fiber

The multi-scale deformation and interfacial mechanical behavior of carbon nanotube fibers with multi-level structures are investigated by experimental and theoretical methods. Multi-scale experiments including uniaxial tensile testing, in situ Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy are conducted to measure the mechanical response of multi-level structures within the fiber under tension. A two-level interfacial mechanical model is then presented to analyze the interfacial bonding strength of mesoscopic bundles and microscopic nanotubes. The evolution characteristics of multi-scale deformation of the fiber are described based on experimental characterization and interfacial strength analysis. The strengthening mechanism of the fiber is further studied. Comprehensive analysis shows that the property of multi-level interfaces is a critical factor for the fiber strength and toughness. Finally, the method of improving the mechanical properties of fiber-based materials is discussed. The result can be used to guide multi-level interface engineering of carbon nanotube fibers and fiber-based composites to produce high performance materials.     

天然纤维增强复合材料力学性能及其应用

本文介绍了天然纤维的化学成分、结构以及力学性能;综述了天然纤维的表面处理方式,分析了其作用机理,并讨论了表面处理对其复合材料力学性能的影响;从增强体形式出发,介绍了短纤维、纤维毡、纤维织物以及单向纤维增强复合材料,并研究了成型工艺、纤维含量和表面处理等对其拉伸、弯曲、界面性能和冲击强度以及断裂韧性的影响;最后总结了天然纤维增强复合材料在汽车、建筑土木等领域的应用现状,并展望了其发展和应用前景。     

复合材料层合板的可靠性和优化问题的研究进展

纤维增强复合材料是由高强度、低密度的纤维材料与基体组成, 具有很多其它材料所不具有的特性, 其应用范围越来越大. 复合材料的机械性能与加工制造等过程密切相关, 其材料性能的离散度较大, 因此考虑不确定性因素的结构可靠性分析非常必要. 可设计性是复合材料的另一个特点, 因此复合材料结构的优化设计也是研究的热点之一. 本文讨论了复合材料层合板结构的可靠性分析方法, 优化设计, 可靠性优化设计以及鲁棒优化等, 并对其发展趋势作出展望.      

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展,高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势.传统结构研究存在结构设计和制造相互分离,复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题.此外,先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高,亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究,为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持.轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势,在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力.有鉴于此,受多晶体微结构的多尺度力学设计启发,以“点阵超结构力学设计”为主题,开展点阵超结构的节点、杆件组元,胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计,并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法,以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.     

Multi-scale modelling of strongly heterogeneous 3D composite structures using spatial Voronoi tessellation

3D composite materials are characterized by complex internal yarn architectures, leading to complex deformation and failure development mechanisms. Net-shaped preforms, which are originally periodic in nature, lose their periodicity when the fabric is draped, deformed on a tool, and consolidated to create geometrically complex composite components. As a result, the internal yarn architecture, which dominates the mechanical behaviour, becomes dependent on the structural geometry. Hence, predicting the mechanical behaviour of 3D composites requires an accurate representation of the yarn architecture within structural scale models. When applied to 3D composites, conventional finite element modelling techniques are limited to either homogenised properties at the structural scale, or the unit cell scale for a more detailed material property definition. Consequently, these models fail to capture the complex phenomena occurring across multiple length scales and their effects on a 3D composite’s mechanical response. Here a multi-scale modelling approach based on a 3D spatial Voronoi tessellation is proposed. The model creates an intermediate length scale suitable for homogenisation to deal with the non-periodic nature of the final material. Information is passed between the different length scales to allow for the effect of the structural geometry to be taken into account on the smaller scales. The stiffness and surface strain predictions from the proposed model have been found to be in good agreement with experimental results.The proposed modelling framework has been used to gain important insight into the behaviour of this category of materials. It has been observed that the strain and stress distributions are strongly dependent on the internal yarn architecture and consequently on the final component geometry. Even for simple coupon tests, the internal architecture and geometric effects dominate the mechanical response. Consequently, the behaviour of 3D woven composites should be considered to be a structure specific response rather than generic homogenised material properties.     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性,以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设...     

DETERMINATION OF INTERNAL STRAIN IN 3-D BRAIDED COMPOSITES USING OPTIC FIBER STRAIN SENSORS

A reliable understanding of the properties of 3-D braided composites is of primary importance for proper utilization of these materials. A new method is introduced to study the mechanical performance of braided composite materials using embedded optic fiber sensors. Experimental research is performed to devise a method of incorporating optic fibers into a 3-D braided composite structure. The efficacy of this new testing method is evaluated on two counts. First, the optical performance of optic fibers is studied before and after incorporated into 3-D braided composites, as well as after completion of the manufacturing process for 3-D braided composites, to validate the ability of the optic fiber to survive the manufacturing process. On the other hand, the influence of incorporated optic fiber on the original braided composite is also researched by tension and compression experiments. Second, two kinds of optic fiber sensors are co-embedded into 3-D braided composites to evaluate their respective ability     

船用复合材料螺旋桨研究进展

复合材料具有比强度高,阻尼性能好及可调整纤维铺层以控制结构变形等优点.复合材料应用于螺旋桨将改善螺旋桨的推进性能和振动特性.通过对国内外复合材料螺旋桨研究成果的回顾、总结和归纳,得出了传统的算法已不满足复合材料螺旋桨的设计和预报要求,复合材料螺旋桨的设计和预报算法需考虑桨叶变形引起的空间流场变化的结论.分析了可借助纤维增强材料所具有的弯扭耦合特性,调整桨叶纤维材料铺层和桨叶结构形式来提高螺旋桨推进效率的规律性.总结了复合材料螺旋桨研究中的关键技术和复合材料螺旋桨设计流程,并指出了复合材料螺旋桨未来研究的趋势.      

Investigation of stress-strain behavior of single walled carbon nanotube/rubber composites by a multi-scale finite element method

The excellent properties of carbon nanotubes have generated technological interests in the development of nanotube/rubber composites. This paper describes a finite element formulation that is appropriate for the numerical prediction of the mechanical behavior of rubber-like materials which are reinforced with single walled carbon nanotubes. The considered composite material consists of continuous aligned single walled carbon nanotubes which are uniformly distributed within the rubber material. It is assumed that the carbon nanotubes are imperfectly bonded with the matrix. Based on the micromechanical theory, the mechanical behavior of the composite may be predicted by utilizing a representative volume element. Within the representative volume element, the reinforcement is modeled according to its atomistic microstructure. Therefore, non-linear spring-based line elements are employed to simulate the discrete geometrical structure and behavior of the single-walled carbon nanotube. On the other hand, the matrix is modeled as a continuum medium by utilizing solid elements. In order to describe its behavior an appropriate constitutive material model is adopted. Finally, the interfacial region is simulated via the use of special joint elements of variable stiffness which interconnect the two materials in a discrete manner. Using the proposed multi-scale model, the stress-strain behavior for various values of reinforcement volume fraction and interfacial stiffness is extracted. The influence of the single walled carbon nanotube addition within the rubber is clearly illustrated and discussed.