三维多向编织复合材料有效弹性模量的细观计算力学分析

编织复合材料性能预报与材料优化设计研究是纺织复合材料研制开发的重要环节,本文在已建立的三维多向编程复合材料单胞几何模型的基础上,研究建立了含多相介质单元的有限元分析方法,结合实例预报了碳／环氧四向编织复合材料的有效性能并和实验结构进行了对比。     

复合材料模量细观分析的一般性模型

基于细观力学理论,提出了横观各向异性复合材料弹性常数的分析模型,并给出了纵向(纤维长度方向) 与横向弹性模量、横截面内剪切模量和泊松比等材料性能参数的理论推导和计算公式. 此方法简洁准确地反映了材料横观各向异性性能,改进了常规细观力学模型,也为工程分析提供了理论依据;同时在复合材料力学课程教学中,有助于深化学生对复合材料细观分析的理解,具有一定的启发性.     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

基于应变梯度理论的微尺度蜂窝等效模量计算方法

本文提出了一种新的能够计及尺度效应的微纳米蜂窝等效模量的计算方法。将一种单参数应变梯度理论引入到本构方程当中,并基于能量等效原理推导了蜂窝面内等效模量地计算公式。算例分析表明,本文方法能够有效地计及尺度效应对蜂窝等效模量的影响。尺度效应与胞壁厚度和长度的值都有关,当胞壁厚度较小时,尺度效应显著,本文方法预测的模量会明显高于传统方法;而当胞壁厚度较大时,尺度效应变得微弱乃至可以忽略不计。但如果胞壁的长度/厚度比很大,则面内等效模量会趋近于0,此时是否考虑尺度效应意义不大。     

纤维增强金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学分析

高温下金属基复合材料的蠕变主要由基体蠕变和界面扩散蠕变两部分构成,以往的研究中常常只考虑其中一种蠕变机理,从而导致得到的规律具有较大的局限性．本文提出了一种可预测金属基复合材料整体蠕变性能的细观力学方法,同时考虑了基体蠕变和界面扩散蠕变两种蠕变机理,导出了具有张量形式并满足不可压缩性的界面扩散蠕变应变表达式．采用Mori-Tanaka法和自洽法二者结果的平均以便更准确地计算纤维中的应力,揭示了两种蠕变机理相互影响的竞争关系．研究了恒定双轴荷载下的总体蠕变和固定位移约束下的应力松弛这两种常见蠕变问题,探究了基体蠕变与界面扩散蠕变两种蠕变机理在总蠕变中发挥的作用,考察了不同加载条件和不同纤维体积分数对复合材料整体蠕变行为的影响．     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

能量法研究矩形填充多孔材料夹芯层面内等效模量

多孔材料作为一种新材料体系被大量运用于航空航天等领域,其夹层结构是大型风力发电机叶片的重要组成元件.为了节省生产成本、提高产品质量和结构安全性,以及对叶片的设计、改造和优化,其夹层结构夹芯层的等效力学参数研究是十分必要的.目前对于夹芯中填充其他材料的分析大多是忽略了填充材料带来结构性能的影响.本文针对矩形填充多孔材料夹芯层的特点,提出了十字填充模型,接着从能量的角度出发,推导出矩形填充材料夹芯层面内等效模量,并将能量法推导出的结果和从变形分析角度得出的结果进行对比,得到两种方法的计算结果完全一致的结论,从而验证了能量法的合理性,为将来深入研究矩形填充材料夹层结构的其他等效参数提供理论依据,也为叶片结构的改造和优化提供技术支持.     

金属基纳米复合材料等效弹性模量的均匀化方法数值模拟

均匀化理论利用位移场双尺度渐近展开建立有限元列式，本文将其与有限元通用程序相结合，应用于金属基复合材料的弹性本构数值模拟。通过对不同尺度增强相金属基复合材料等效模量的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。数值计算结果表明，对常规尺度增强相金属基复合材料，均匀化方法可以较准确地预测其等效弹性模量；对纳米增强相金属基复合材料，该方法仍可给出较好的预测，但存在某种程度的系统偏差。通过对纳米尺度增强机理的分析讨论，认为纳米增强相与基体材料问的界面效应可能有别于连续介质假设，指出可以考虑采用离散原子-连续介质耦合模型改进数值模拟结果。     

基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析

对复合材料层合板进行了低速冲击实验,建立了冲击凹坑深度与冲击能量的关系。依据凹坑深度反推冲击能量,并用能量确定冲锤质量和冲击速度,从而可对层合板进行动态数值模拟。冲击凹坑深度与冲击能量的关系表明,凹坑深度的变化是与冲击能量的变化过程相适应的,在此基础上对损伤的分布形式及大小做了详细的分析。采用ANSYS有限元程序对复合材料层合板横向低速冲击进行模拟,采用瞬态分析方法来研究层合板的冲击与损伤过程。对冲击后的试验件进行了C扫描损失检测。计算和试验结果表明,此方法是可行的,特别适合于层合板冲击后的损伤评估。     

Effective Elastic Properties of Laminated Composite Materials with Interfacial Defects

International Applied Mechanics - The problem of effective elastic properties of stochastic laminated composite is solved. The imperfect interface conditions between the reinforcement and the...     

基于复数神经网络的粘弹性材料动态模量拟合方法

固体火箭发动机药柱粘弹性材料除具有弹塑性特性,还具有粘滞性,这一特性使得材料变形具有明显的时间效应,本构关系复杂,进行动态力学分析时,动态模量难以有效拟合．本文提出了一种基于(Levenberg-Marquardt, L-M)算法的复数神经网络拟合粘弹性材料动态模量的方法．通过广义Maxwell模型推导得到材料的动态模量表达式,以此构造未定网络参数为复数的神经网络,从而提供了一种输入、输出样本均为复数的神经网络解决方法．将实数L-M训练算法进行改进,衍生到复数领域,提出复数L-M训练算法．通过粘弹性材料实验,将实验数据时温等效转换,获得复数神经网络的训练及测试样本．通过对神经网络进行训练,实现粘弹性材料动态模量的高精度拟合．数值算例表明,与传统神经网络拟合方法相比,所提方法在训练速度和泛化能力方面都有其优越性．     

基于修正高精度广义胞元法的复合材料细观力学分析

高精度广义胞元法是多尺度分析复合材料模量和微观应力应变场的有效方法之一．然而,由于位移插值函数中缺少二次耦合项,很大程度上影响了复合材料局部应力、应变场,特别是剪切场的计算精度．本文通过引入二次方向耦合项,提出了一种修正的高精度广义胞元法插值函数．在施加周期性边界条件、平均应力和平均位移连续性条件后,可以确定位移插值函数中的系数．通过对多相复合材料弹性模量和局部场分析,并且与有限元分析和实验测量结果比较,验证了修正高精度广义胞元法的准确性．与高精度广义胞元相比,本文提出的修正高精度广义胞元法在不需要引入额外未知变量,不影响计算效率的前提下,对复合材料的局部应力场计算得更加准确．     

基于参变量变分原理的非均质多边形微结构材料弹塑性分析

为了更好地模拟复合材料及含夹杂非均质材料等的宏观弹塑性力学性能,简化有限元建模时间和减少有限元模拟计算量。本文基于参变量变分原理,提出了一种采用任意多边形弹塑性单元进行结构非线性分析的参数二次规划算法,给出了参变量最小势能原理以及最终的二次规划模型,并在有限元分析与优化设计软件系统JIFEX上进行了程序实现。数值算例证明了本文方法的正确与可行性。     

复合材料等效动态性能参数测试识别的复频率法

本文根据粘弹性理论,针对复合材料的各向异性,受横向剪切变形影响大以及比重轻等特点,构造了利用测试单粘弹性参数结构复频率的方法,识别得到复合材料等效动态性能参数的复频率.     

考虑孔隙影响的混凝土有效弹性模量预测分析研究

本文通过纳米压痕实验技术得到混凝土材料细观各相参数，基于渐进均匀化理论，采用蒙特卡洛方法和双向游走方法建立了含孔隙混凝土的胞元模型．分析了孔隙在冻融循环次数增加情况下对混凝土有效弹性模量的影响，同时与有限元模拟分析进行了比较．结果表明：随着冻融循环次数增加，孔隙体积分数增大，界面与砂浆压痕模量相对降低，但对骨料影响较小，导致混凝土宏观弹性模量随之降低；理论分析预测的混凝土有效弹性模量与有限元模拟结果吻合良好．应用含孔隙混凝土胞元模型能有效地预测混凝土宏观弹性模量，进而也为其在冻融作用下老化演变机理的研究评估提供了基础．