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。     

含脱粘界面颗粒性复合材料的有效热膨胀系数

基于细观力学方法建立了包含脱粘界面在内的复合材料四相模型,将颗粒、脱粘界面和基体壳简化为椭球三相胞元,并通过Eshelby-Mori-Tanaka方法的推导得到颗粒和脱粘界面的热膨胀本征应变,进而对三相胞元热膨胀系数进行了预报.考虑到三相胞元在复合材料中随机分布,应用坐标变换公式得到复合材料平均热膨胀应变,进而求得复合材料的热膨胀系数.     

反平面剪切下电磁弹性纤维增强复合材料界面相效应研究

研究具有界面相电磁弹性纤维增强复合材料的反平面剪切问题,利用复变函数方法,获得了无穷域中带界面相纤维问题在远场力、电、磁多场作用下的闭合解,得到了复合材料内部各区域电磁弹性物理量的精确表达式.利用所得结果,考虑纤维和基体间的界面相效应,研究了界面相厚度及弹性模量对复合材料内部应力场、电场强度和磁场强度的影响,数值结果给出了复合材料电磁弹性物理量随界面相参数变化的规律,为该类复合材料的设计与计算提供了有价值的参考.     

含共晶界面陶瓷复合材料的损伤应变场分析

研究了含共晶界面陶瓷复合材料的损伤应变场及其尺度效应。根据含共晶界面复合陶瓷的细观结构特性,利用含共晶界面陶瓷复合材料中三相胞元内的应力场分布规律,得出棒状共晶体内的无损应变场分布规律。针对棒状共晶体内存在损伤的现象,通过引入损伤变量,利用三相模型法得到了棒状共晶体内存在损伤时的应变场分布规律;根据应变和纤维状夹杂直径之间的关系,分析了棒状共晶体内的损伤应变场及其尺度效应。结果表明,含共晶界面陶瓷复合材料内三相胞元中基体、界面相和纤维夹杂内的损伤应变场对纤维夹杂直径具有明显的尺度效应。     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用.由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞.采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层.当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值.根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量.主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响.结果表明:不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响.     

SMA复合材料在热载条件下的残余应力分析

本文基于三相复合圆柱模型发展了增量型的分析方法,讨论在ＳＭＡ复合材料中由于ＳＭＡ材料相变以及各相材料热特性随温度变化引起的残余应力。研究基体与过渡恸介面和纤维与过渡界面间的残余应力,同时讨论由于基体相的变化对残余应力的影响。特别研究了涂层和复合材料基体间界面处的残余应力受纤维体积比、涂层厚度、纤维最大相变应以及基体中纤维取向等影响,而且讨论了计及应力对相就运动方程的影响时对ＳＭＡ复合材料相变温度和     

具有界面相的球形粒子在无限大基体中的应力集中分析

研究了无限大基体内具有界面相的球形粒子在轴对称载荷作用下的应力场,并与线弹簧界面模型的情形进行了比较,对粒子/界面相以及界面相/基体两个界面的应力集中系数以及粒子内部的应力集中系数进行了分析研究了应力三轴度、界面相厚度以及三相的模量对应力集中系数的影响结果表明,对给定的模量和界面相厚度值,存在一个临界应力三轴度值若应力三轴度小于此临界值,则界面相/基体界面的应力集中系数大于粒子/界面相界面的应力集中系数;否则,前者会小于后者所做的应力分析可以为颗粒增强复合材料的强韧化设计提供一定参考.     

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.     

共晶基陶瓷复合材料的强度模型

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表达式.考虑共晶陶瓷棒体长度和方位的随机性,根据概率理论得到共晶陶瓷基复合材料的宏观强度的理论模型.结果表明复合材料的宏观强度与亚微米纤维的直径和长度、以及亚微米纤维、基体、共晶陶瓷棒体的弹性常数有关.理论与实验结果十分接近,说明文中理论模型是合理的,同时证明了共晶界面对陶瓷复合材料的重要影响.     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

弱界面复合材料中的基体裂纹

利用二维弹性力学模型研究了纤维增强复合材料中基体裂纹与弱界面的相互作用机理．文中首先导出各向异性弹性多层介质中刃型位错的基本解，然后运用这些基本解建立了弱界面复合材料中典型的Ｈ型缺陷的奇异积分方程组，通过求解这些方程得到外载荷的大小、弱界面的结合强度、界面的残余压力和摩擦系数、纤维与基体的弹性模量比等微结构参量与基体裂纹附近的应力场的关系     

含空心球涂层粒子复合材料界面的脱粘应力分析

在球对称拉伸载荷作用下针对空心球涂层复合材料分析了空心球涂层粒子增强复合材料的局部应力场,得到了界面临界脱粘应力的解析表达式.讨论了各相几何参数对非均匀涂层空心球粒子临界脱粘应力的影响,比较了均匀涂层和非均匀涂层的脱粘应力.结果表明:在球对称拉伸下界面脱粘更容易发生在涂层相与基体相界面间,空心球的壁厚和涂层厚度是影响界面临界脱粘应力的重要因素,因而选择适当的空心球、涂层厚度和提高界面粘结能将有利于提高界面的临界脱粘应力.     

含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

滑动界面球形夹杂对平面压缩波的散射

非理想粘结界面对多相材料力学性能的影响日益受到重视。本文研究了无限各向同性基体中的滑介面球形单夹杂对平面压缩的散射问题。夹杂与基体间的界面为非理想粘结界面,在剪应力的作用下将出现界面两侧相对滑移。假定界面相对滑动位移与界面剪应力成正比,在这种线弹簧型滑动界面条件下,通过波函数的级数展开法,获得了夹杂在基体中反射波和折射波以及应力场的解析表达式,并讨论了界面自由滑动和刚性夹杂等特例。     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

纵向剪切三相共焦点椭圆模型的精确解及其应用

推广夹杂问题的三相同心圆模型,提出了三相共焦点椭圆模型,从而计及了夹杂形状变化的重要因素。利用保角变换结合罗朗级数展开技术获得了纵向剪切载荷下的封闭形式解。本模型和解答对夹杂、界面层附近的细观应力场分析、对复合材料和含缺陷材料的有效弹性模量预测有重要实用价值,获得了比经典公式更精确的结果。对特殊模型,可以得到许多有意义的问题（如二相模型）的解答。     

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场.根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z',讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响.并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.     

含空心纤维热电复合材料的能量转换效率及力学性能

空心纤维常用于热电复合材料的结构设计。纤维附近产生的不均匀温度场会引起局部热应力集中,威胁材料的可靠性并可能导致结构失效。本文采用圆环夹杂模型,研究了含空心纤维热电复合材料在均匀远场电流和能流作用下的力学响应。基于非线性全耦合的热电本构方程,利用复变函数中的级数法得到了纤维和基体中热电场和应力场的解析解。通过数值算例,分析了空心纤维的传导能力和几何尺寸对温度场、应力场和局部热电转换效率的影响。结果表明：随着空心纤维内径和界面热阻的增大,界面周围的应力场增大,但并不改变应力场的分布趋势。此外,我们发现：温度分布和应力场对几何参数比对界面热阻更为敏感。     

含界面相效应的纤维增强复合材料桥联增韧力学分析

本文对纤维增强复合材料桥联增韧进行了详细的断裂力学分析，基于Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ＇ｓ定理和界面剪滞模型，得到了含界丰效应的复合材料桥联增专访和裂纹线开位移的控制议程；并按照第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程的迭代解法，给出其数值结果，为例题于分析界面相参数对增韧效果的影响，寻求了该控制方程的近似解解析表达式，对近似解进行了误差估计，证明了解的可行性，在此基础上得到了界面剪切模量，裂纹长度。界面厚度，     

纤维增强陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线模型研究

纤维增强陶瓷基复合材料初始加载到疲劳峰值应力时, 基体出现裂纹, 纤维/基体界面发生脱粘. 在疲劳载荷作用下, 纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移使得陶瓷基复合材料出现疲劳迟滞现象. 建立了纤维陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线细观力学模型, 采用断裂力学方法确定了初始加载纤维/基体界面脱粘长度、卸载界面反向滑移长度与重新加载新界面滑移长度, 分析了4种不同界面滑移情况的疲劳迟滞回线. 假设正交铺设与编织陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线主要受0°铺层、轴向纱线内纤维/基体界面滑移的影响, 预测了单向、正交铺设与编织陶瓷基复合材料在不同峰值应力与不同循环的疲劳迟滞回线, 与试验结果吻合.