含弧形裂纹复合陶瓷强度的尺度效应

认为含弧形裂纹复合陶瓷由随机方向的三相胞元与有效介质构成,用细观力学的方法研究了复合陶瓷的损伤失效和强度。首先确定三相胞元的外载应变,再依据复合陶瓷在损伤过程中的细观应力场和广义热力学力,计算出三相胞元内基体和颗粒的损伤等效应力,当基体和颗粒的损伤等效应力分别等于两者的极限应力时,得到基体和颗粒的破坏应力。然后,根据混合型应力强度因子计算弧形裂纹扩展时的能量释放率,进而得到界面的破坏应力。最后综合考虑基体、颗粒和和界面损伤影响,获得含弧形裂纹复合陶瓷的宏观强度及其尺度效应。     

金属基复合材料的强度与损伤分析

用细观计算力学的方法分析了金属基复合材料(MMC)多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维/基体界面的脱粘和采用G-T模型描述韧性基体的损伤.并用上述模型分析了长纤维增强MMC在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系.     

短纤维金属基复合材料应力传递的有限元分析

基于短纤维增强金属基复合材料的单纤维轴对称和三维细观力学模型,利用弹塑性有限元分析方法对该复合材料中基体与纤维间的应力传递进行研究,研究中主要讨论了基体、纤维和界面的力学性能以及纤维位向的变化对应力传递和应力分布的影响。研究表明,复合材料微结构参数的变化将显著影响基体与纤维间的应力传递和复合材料中的应力分布,复合材料设计过程中必须考虑合理的微结构特征。     

颗粒填充复合材料强韧化效应的力学分析

颗粒填充复合材料中基体微损伤形式对材料韧性产生决定性影响。本文通过二相或三相材料中基体应力分布的分析计算，结合损伤萌生的力学条件，对颗粒填充的强韧化效应作出定性分析。计算结果表明，若颗粒刚度高于基体，随着颗粒模量的提高，开裂与银纹趋势逐步增强，由此可知单纯使用硬粒子填充难以实现增韧，但若粒子与基体间有柔性界面相存在，基体屈服趋势将随界面厚度迅速增长，它将在损伤引发机制的竞争中占据优势，成为损伤的主导形式，并由此可成功地实现材料的强韧化。     

计及界面损伤的复合材料正交(混杂)叠层板的应力集中分析

对正交(混杂)叠层复合材料最终拉伸破坏过程中的细观应力集中问题,提出了一种修正的剪滞分析模型;研究了叠层中由于90°层的基体开裂、层间界面破坏、0°层中部分纤维断裂及纤维/基体界面损伤相互作用所导致的细观应力重新分布,获得了相应的应力集中因子和界面破坏区长度与界面剪切强度的定量关系。本文结果为进一步研究正交叠层复合材料的细观破坏机理、最终拉伸强度及协同效应等提供了重要的理论依据。     

考虑粒子分布特征的复合材料细观力学方法

研究了颗粒增强复合材料中颗粒增强体粒径分布对复合材料力学性能的影响,利用分形思想将增强粒子的概率分布特征考虑进来,对已有的复合材料细观力学等效夹杂方法进行修正,建立了一个考虑粒子统计分布的细观等效力方法.以混凝土为例,分析了颗粒增强体体积含量、夹杂与基体的模量比和分形结构的分辨率对复合材料力学性能的影响.结果表明,这种新方法能够适用于分析颗粒增强复合材料的细观结构对力学性能的影响.     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理.按剪滞理论和应变硬化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态.讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式.按最大剪应力强度理论建立了纤维/基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系.     

金属基复合材料和强度与损伤分析

用观察计算力学的方法分析了金属基复合材料（ＭＭＣ）多重损伤与强度的关系,采用唯象的内聚力模型模拟纤维／基体界面的脱粘和采用Ｇ－Ｔ模型描述韧性基体的损伤。并用上述模型分析了长纤维增强ＭＭＣ在横向荷载作用下损伤演化的规律,讨论了不同界面性质与材料强度及损伤、破坏模式之间的关系。     

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.      

INVESTIGATION ON FATIGUE HYSTERESIS LOOPS MODELS OF FIBRE-REINFORCED CERAMIC-MATRIX COMPOSITES

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.     

Elastic and elastic–plastic singular fields around a crack-tip in particulate-reinforced composites with progressive debonding damage

This paper deals with elastic and elastic–plastic singular fields around a crack-tip in particulate-reinforced composites with debonding damage of particle-matrix interface. Numerical analyses are carried out on a crack-tip field in elastic-matrix and elastic–plastic-matrix composites reinforced with elastic particles, using a finite element method developed based on an incremental damage theory of particulate-reinforced composites. A particle volume fraction and interfacial strength between particles and matrix of the composites are parametrically changed. In the elastic-matrix composites, a unique elastic singular field is created on the complete damage zone in the vicinity of a crack-tip in addition to the conventional elastic singular field on the no damage zone. The macroscopic stress level around a crack-tip is reduced by the debonding damage while the microscopic stress level of the matrix remains unchanged. In the elastic–plastic-matrix composites, the damage zone develops in addition to the plastic zone due to matrix plasticity, and both the macroscopic and microscopic stress revels around a crack-tip are reduced by the debonding damage. It is concluded from the numerical results that the toughening due to damage could be expected in the elastic–plastic-matrix composites, while it is questionable in the elastic-matrix composites.     

Particle fracture in high-volume-fraction ceramic-reinforced metals: Governing parameters and implications for composite failure

Weibull parameters of angular alumina particles are determined from experimental tensile test data on high-ceramic-content metal matrix composites using a micromechanical model that accounts for internal damage in the form of particle cracking, the dominant damage mode in these composites. The fraction of broken particles is assessed from the drop of Young's modulus and particle fracture is assumed to be stress controlled. Two extreme load-sharing modes, namely a purely local and a global load-sharing mode, are considered to account for the load redistribution due to particle fracture. Consistent powder strength parameters can be thus “back-calculated” for particles that are embedded in different Al-Cu matrices. On the other hand, this calculation fails for pure Al matrix composites, which exhibit a much larger strain to failure than Al-Cu matrix composites. It is shown that for Al matrix composites, the role of plastic (composite) strain on particle fracture constitutes a second parameter governing particle damage. This finding is rationalized by particle-particle interactions in these tightly packed ceramic particle-reinforced composites, and by the increase of matrix stress heterogeneity that is brought with increasing plastic strain. Failure of the alloyed matrix composites is well described by the (lower bound) local load-sharing micromechanical model, which predicts a catastrophic failure due to an avalanche of damage. The same model predicts failure of pure aluminium matrix composites to occur at the onset of tensile instability, also in agreement with experimental results once the role of plastic strain on damage accumulation is accounted for.     

颗粒缺陷相互作用下复合材料的细观损伤模型

含尖角的非椭球颗粒附近应力集中较大,诱导缺陷形成裂纹是材料损伤的重要来源.对于强界面颗粒,大刚度颗粒诱导裂纹向基体中扩展形成近似平面片状裂纹,认为诱导裂纹受颗粒应力附近应力场控制,基于有效自洽理论建立了材料细观损伤模型,得到了单向拉伸下的损伤演化,并分析了颗粒形状、尺寸、颗粒性能以及颗粒与初始缺陷相对位置等因素对材料损伤的影响.结果表明,非椭球颗粒更易诱发裂纹,同样外载应力下,损伤程度更大,含非椭球颗粒材料强度更低;含扁平型的颗粒材料裂纹损伤过程更加明显并且材料强度更大;提高颗粒刚度和含量能够增大材料强度.材料中存在尺寸过大或过小的初始裂纹时材料损伤过程不明显.     

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

SiCp/ZL101AI复合材料中的层裂微损伤演化行为

对ＳｉＣｐ／ＺＬ１０１Ａｌ复合材料进行了层裂损伤演化实验，得到了试样的层裂损伤演化图像．通过对这些微损伤演化图像的微观观察和对微损伤的统计定量分析，发现在层裂损伤演化过程中，微损伤的形成和发展不仅与应力水平、作用时间相关，而且还与材料中的微结构分布密切相关．通过层裂损伤演化实验，得到了在这种复合材料中，微裂纹在基体中的扩展速度及其与宏观应力水平的关系     

金属基复合材料中的热残余应变场及其对材料细观行为的影响

基于SiC/Al基复合材料中的SiC颗粒周期性排布的假设,采用轴对称体胞方法研究了金属基复合材料中的热残余应变场与粒子形状、体积分数等参数间的内在联系;在此基础上,探讨了热残余应变对夹杂内部和基体-夹杂界面的应力集中因子的影响.所得结果对于理解热残余应变对空洞形核的影响有参考价值.     

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...     

A periodic unit-cell simulation of fiber arrangement dependence on the transverse tensile failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites

The effect of fiber arrangement on transverse tensile failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites with a strong fiber-matrix interface was studied using a unit-cell model that includes a continuum damage mechanics model. The simulated results indicated that tensile strength is lower when neighboring fibers are arrayed parallel to the loading direction than with other fiber arrangements. A shear band occurs between neighboring fibers, and the damage in the matrix propagates around the shear band when the interfacial normal stress (INS) is sufficiently high. Moreover, based on the observation of Hobbiebrunken et al., we reproduced the damage process in actual composites with a nonuniform fiber arrangement. The simulated results clarified that the region where neighboring fibers are arrayed parallel to the loading direction becomes the origin of the transverse failure in the composites. The cracking sites observed in the simulation are consistent with experimental results. Therefore, the matrix damage in the region where the fiber is arrayed parallel to the loading direction is a key factor in understanding transverse failure in unidirectional carbon fiber reinforced composites with a strong fiber/matrix interface.     

颗粒增强复合材料中微观热应力和残余应力分析

运用空间配位体密堆模型和球对称分析单元，分析计算了颗粒增强复合材料经历温度变化后产生的微观热应力和残余应力。分析结果表明，温度升高时界面产生径向张应力，降温时产生压应力。存在一个基体开始发生塑性变形的临界温差ｔ＿ｐ，其值随增强体体积分数Ｖ＿ｐ增加而降低。除组元间热膨胀系数差和弹性常数外，基体材料本构关系和屈服强度对热应力和残余应力均有很大影响。随Ｖ＿ｐ增加，微观应力和水静宏观应力幅值上升。但粒子周围塑性区尺寸近似与Ｖ＿ｐ无关。给出了不同变温条件下残余应力的确定方法。