颗粒增强橡胶细观力学性能二维数值模拟

在细观层次上建立了具有随机分布形态的代表性体积单元,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宏观力学性能进行了研究。采用二维平面应变模型进行单轴压缩模拟仿真,通过施加周期边界条件保证了代表性体积单元变形场的协调性。重点研究讨论了颗粒的随机分布形态和粒径大小、刚度、体积分数对复合材料宏观应力-应变关系曲线和有效弹性模量的影响。结果表明:炭黑颗粒的填充显著提升了橡胶材料的刚度,在炭黑含量Vf=0.2513时,复合材料的有效弹性模量值高于橡胶初始模量值的2倍;复合材料的有效弹性模量随颗粒所占体积分数的增加而增大。     

温度影响下炭黑增强橡胶复合材料的循环拉伸力学行为

为研究温度变化与炭黑增强对橡胶复合材料循环拉伸力学行为的影响,利用含温度箱的非接触式自动网格法测试系统,对4种不同炭黑含量的填充橡胶开展了不同温度下的阶梯式加卸载拉伸力学实验.实验结果表明,在各个循环段,炭黑填料对橡胶基体的增强效应都随温度升高而减弱,且温度越高,增强效应的减弱趋势越平缓,这是导致填充橡胶循环拉伸力学行...     

炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘单向拉伸力学行为研究

利用岛津万能试验机对天然橡胶与丁苯橡胶共混的胶料(NSBR)进行常温下多步松弛循环加卸载试验,拟合材料参数.通过电镜实验观察复合材料截面,发现炭黑体积分数较大时,炭黑颗粒存在聚集现象.建立了圆形炭黑颗粒增强橡胶复合材料二维多颗粒随机分布RVE模型,并运用ABAQUS软件对炭黑颗粒增强橡胶界面脱粘和颗粒聚集行为进行仿真.对比不同体积分数和不同粒径分布形态等情况下单轴拉伸的宏观力学响应,结果表明:炭黑体积分数越大,炭黑增强橡胶界面开始发生脱粘的应变越小,越容易发生脱粘.针对炭黑的不同聚集程度,并考虑颗粒的界面脱粘,发现考虑颗粒聚集的模型应力集中程度更高,更容易发生脱粘.因此,炭黑体积分数越高,越不能忽略颗粒与基体的界面脱粘以及炭黑颗粒团聚.     

温度对炭黑填充橡胶复合材料力学性能影响的实验研究

采用岛津万能试验机对天然与丁苯共混橡胶(NSBR)试件进行不同温度下多步松弛循环加卸载实验和单向拉伸加卸载循环实验，对比两者的宏观力学响应，并研究温度对炭黑填充复合材料力学性能的影响．结果表明：(1)随着温度的升高，未填充橡胶逐渐变“硬”，而炭黑填充橡胶是“先变软后变硬”．(2)随着温度的升高，橡胶的迟滞损耗呈线性减小．(3)比较单向拉伸和应力松弛平衡点的应力应变曲线，填充橡胶“先变软后变硬”的温度转折点不同，这是由于应力松弛过程基本消除了粘弹性效应．     

炭黑增强对橡胶复合材料温度相关力学行为的影响

利用含温度箱的自动网格法测试系统,对不同炭黑含量的橡胶复合材料开展不同温度下的超弹性性能试验,考察了炭黑增强对其温度相关力学行为的影响。结果表明,温升过程中炭黑颗粒对橡胶基体的增强作用在逐渐减弱,与之相关的内能弹性效应也逐渐减小,加上橡胶基体本身的熵弹性效应,这两者共同决定了炭黑增强胶料会随着温度的升高\"先变软后变硬\",而非如纯胶料般随着温度的升高直接变\"硬\"。换言之,温度变化对颗粒与基体间相互作用造成的影响,使得炭黑增强橡胶的温度相关力学行为比不含炭黑的纯橡胶更为复杂。另外,依据试验研究的结果,本文还推导了修正八链模型的温度相关显式表达式,它能较好地表征胶料超弹性力学行为与温度的相关性。     

空心颗粒填充复合材料弹塑性力学行为模拟

空心玻璃微珠(Hollow Glass Microballon,简称HGM)填充树脂基复合材料称为复合泡沫材料,近来已被广泛应用在工业中.利用RSA(Random Sequential Adsorption)方法生成了含不同体积比的HGMs填充代表体元模型,然后用有限元方法计算得出了材料的应力-应变关系,将材料属性简化为双线性随动强化模型,分析了HGM填充比、壁厚对材料的有效弹性常数、屈服极限的影响,并分析了材料内部细观应力场和塑性应变分布情况.结果发现,HGM壁厚比对材料有效弹性模量和屈服极限的增减起着决定性作用,而对于任意填充模式来说,材料的比模量和比强度总是大于纯树脂,这一点体现了该材料轻质的优良特性.材料基体的应力集中部位分布以及塑性应变区域的分布也取决于HGM的壁厚比.     

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     

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现：对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现     

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现\"笋尖\"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.