2D编织陶瓷基复合材料应力-应变行为的试验研究和模拟

本文对2D编织陶瓷基复合材料拉伸应力-应变行为进行了试验研究和理论模拟。将2D编织结构简化为：正交铺层结构和纤维束波动结构。基于基体随机开裂、纤维随机断裂的统计分布理论,得到正交铺层结构的应力-应变关系;基于体积平均方法,将纤维束波动部分分割为若干子单元;由于纤维束的波动使各子单元材料方向与加载方向不一致,因此考虑了各子单元的线性行为和非线性行为对材料响应的影响,同时引入强度分析模型,得到纤维束波动部分的应力-应变关系。结合正交铺层部分和纤维束波动部分的应力-应变关系,得到2D编织结构的应力-应变行为,理论与试验吻合较好。     

2D机织陶瓷基复合材料应力-应变行为

本文将2D机织结构简化为串联的(0°/90°)_S和(90°/0°)_S正交铺层结构,在单轴拉伸载荷作用下采用能量变分法,得到开裂的(0°/90°)_S和(90°/0°)_S正交铺层结构中各层的应力分布及90°层裂纹密度与施加应力之间的变化关系;基于随机的基体裂纹演化理论、随机的纤维损伤和最终失效理论,得到了拉伸载荷作用下正交铺层中0°层的应力-应变关系,进而得到了0°层的切线拉仲模量与作用于0°层的托伸应力之间的变化关系,将0°层的切线拉伸模量代入正交铺层结构的能量变分分析中,得到2D机织陶瓷基复合材料的拉伸应力-应变关系,理论结果与试验结果吻合良好.     

平纹编织陶瓷基复合材料面内剪切细观损伤行为研究

采用约西佩斯库(Iosipescu)纯剪切试件,研究了平纹编织SiC/SiC和C/SiC复合材料的面内剪切应力-应变行为和细观损伤特性.通过试验获得了材料不同方向上的单调和迟滞应力-应变行为,对比分析了两种材料的剪切损伤特性,结果表明材料的剪切损伤演化规律受热残余应力水平影响严重.由试件断口电镜扫描结果发现剪切加载状态下桥连纤维承受显著的弯曲载荷和变形,据此提出了纤维弯曲承载机制,并结合裂纹闭合效应分阶段阐释了材料的剪切迟滞环形状.基于材料的剪切细观损伤机制,通过两个损伤变量表征了材料的剪切损伤演化进程,得到了材料的面内剪切细观损伤演化模型.对比发现2D-C/SiC复合材料45°方向基体裂纹的起裂应力明显小于2D-SiC/SiC复合材料,而两者0°/90°方向裂纹的起裂应力基本相同.      

非线弹性平面杆系的应力应变分析

以指数函数近似表示非线弹性材料的应力－应交关系,推导出了非线弹性材料平面杆系结构应力应变计算的普遍表达式,编制了通用程序,使这一类问题有了一个通用的解题方法．     

钻孔法和光栅应变花测试复合材料的残余应力

残余应力对材料、结构的疲劳强度和使用寿命等性能的影响早已为人们所熟知,由于它的大小、方向和分布随制造加工或处理方法不同而有很大的随机性,国内外对它的研究很重视。对于各向异性的复合材料,随着加上生产制造过程及工艺参数的不同,其中的残余应力的大小、方向等就更加复杂。从国内外对残余应力的研究中,可以看出大多数都着重于实验研究。本文应用钻孔法和云纹干涉技术的成果,针对残余应力测试中的特点,尤其是在利用钻孔法和云纹干涉技术测试残余应力时存在的问题,在目前绝大多数云纹干涉技术所使用的正交光栅的基础上,提出并研制出一种三个方向的光栅,即在原来 0°、90°两个方向光栅上,再加上一个 45°方向的光栅,在进行云纹干涉测试时,一次加载时就可以同时测试出三个独立的位移场:u场、v场和s场,利用这三个位移场就可以得到相应的三个应变:ε0、ε90和ε45,进而可以计算得到相应的应力。     

陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律.结果 表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果...     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

岩石压缩过程应力-应变-磁感强度效应的实验研究

为了弄清岩石挤压产生的磁感强度效应,将钕铁硼Nd-Fe-B磁芯分别植入圆柱形大理岩、石灰岩中,在其周围产生磁场.借助断裂使岩石导磁回路与磁强发生的改变,进行挤压过程中应力、应变和磁感强度三变量测试.研究结果表明:岩石裂隙变化能够引起磁感强度的改变,应力-应变-磁强存在一一对应的数值关系;达到最大应力前,大理岩、石灰岩周围磁感强度出现增大异常的破坏预兆;在岩石裂解阶段,应力-应变曲线与磁强-应变曲线的变化规律具有明确的反对称性.最后还建立了分段表达岩石应力-磁感强度拟合关系式.     

碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温高应变率下的压缩力学行为

利用高温电子万能试验机和具有高温同步自组装功能的Hopkinson压杆对二维C/SiC复合材料进行了应变率为10-4~103s-1,温度为293~1273K下的单轴压缩力学性能测试。实验结果表明:二维C/SiC复合材料破坏时并未表现出典型的脆性破坏,而是在应力达到压缩强度时出现了显著的应变软化,在经历了较大的变形后才最终破坏,同时材料还表现出良好的高温承载能力及一定的温度和应变率依赖性。随着温度的升高,复合材料的压缩强度呈降低的趋势。与准静态下室温压缩时相比,材料在1273K 时的压缩强度的降低程度不超过30%,但压缩强度对应变率的敏感性随着温度的升高而增大。由于高温下试样氧化,C/SiC复合材料压缩强度对应变率的敏感性在温度为1073K时显著增大。     

全沙漠砂纤维水泥基复合材料单轴受压尺寸效应试验研究

为探究新疆地区全沙漠砂制备水泥基复合材料ECC(engineered cementitious composite)的可行性,并研究全沙漠砂ECC的单轴受压尺寸效应,在对沙漠砂、石英砂和河砂三种骨料制备的ECC宏观力学性能及微观结构分析比较的基础上,重点对5组不同尺寸的沙漠砂ECC试件进行了单轴压缩性能试验。结果表明：在相同的材料配比下,完全使用沙漠砂制备的ECC,其抗压、抗拉以及抗折强度均与其余两种砂制备的ECC相近,沙漠砂ECC中纤维表面较少的附着物和较为完整的形貌对其发挥桥联作用有益;全沙漠砂ECC单轴受压性能具有尺寸效应;提出的高厚比与抗压强度的关系表达式、不同高厚比的应力-应变全曲线模型均与试验结果吻合较好。     

热环境中旋转运动功能梯度圆板的强非线性固有振动

研究热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性固有振动问题．针对金属－陶瓷功能梯度圆板,考虑几何非线性、材料物理属性参数随温度变化以及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况,应用哈密顿原理推得热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性振动微分方程．考虑周边夹支边界条件,利用伽辽金法得到了横向非线性固有振动方程,并确定了静载荷引起的静挠度．用改进的多尺度法求解强非线性方程,得出非线性固有频率表达式．通过算例,分析了旋转运动功能梯度圆板固有频率随转速、温度等参量的变化情况．结果表明,非线性固有频率随金属含量的增加而降低;随转速和圆板厚度的增大而升高;随功能梯度圆板表面温度的升高而降低．     

晶须增韧陶瓷基复合材料中微裂纹演化规律的描述

本文利用作者改进的等效夹杂理论和内容量理论，研究了晶须增韧陶瓷基复合材料中随机分布微裂纹的演化规律及其对材料力学性能的影响，同时考虑了热残余应变、晶须含量及长径比的影响，预报了材料的模量、非线性起始点、材料强度及非线性本构关系，给出了许多有意义的结论。     

EVOLUTION OF THE MICROCRACKS IN WHISKER TOUGHENING CERAMIC MATRIX COMPOSITES

The modified equivalent inclusion theory by the authors and the internalvariable theory are employed to investigate the evolution of the microcracks in whiskertoughening ceramics and the influence of the microcracks on the mechanical propertiesof the material. The effect of residual thermostrain, whisker content and aspect ratio isconsidered. The modulus, initial nonlinear load, strength and nonlinear constitutiverelation are calculated and some important conclusions are given.     

2D-C/SiC复合材料的单轴拉伸力学行为及其强度

通过单调拉伸和循环加卸载试验, 研究了平纹编织C/SiC复合材料的损伤演化过程及其应力-应变行为. 结果表明, 残余应变、卸载模量和外加应力的关系曲线与拉伸应力-应变曲线具有类似的形状. 基于剪滞理论和混合率建立了材料的损伤本构关系和强度模型, 分析计算表明, 残余应变主要由裂纹张开位移和裂纹间距决定, 而卸载模量主要由界面脱粘率决定; 材料的单轴拉伸行为主要由纵向纤维束决定, 横向纤维对材料的整体模量和强度贡献较小. 理论模拟结果与试验值吻合较好.      

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     

ELASTIC BEHAVIOR ANALYSIS OF 3D ANGLE-INTERLOCK WOVEN CERAMIC COMPOSITES

A micromechanical model for elastic behavior analysis of angle-interlock woven ceramic composites is proposed in this paper. This model takes into account the actual fabric structure by considering the fiber undulation and continuity in space, the cavities between adjacent yarns and the actual cross-section geometry of the yarn. Based on the laminate theory, the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites are predicted. Different numbers of interlaced wefts have almost the same elastic moduli. The thickness of ceramic matrix has little effect on elastic moduli. When the undulation ratio increases longitudinal modulus decreases and the other Young's moduli increase. Good agreement between theoretical predictions and experimental results demonstrates the feasibility of the proposed model in analyzing the elastic properties of 3D angle-interlock woven ceramic composites. The results of this paper verify the fact that the method of analyzing polyester matrix composites is suitable for woven ceramic composites.     

PREDICTIVE APPROACH TO FAILURE OF COMPOSITE LAMINATES WITH EQUIVALENT CONSTRAINT MODEL

<正>This work established a new analytical model based upon the equivalent constraint model(ECM)to constitute an available predictive approach for analyzing the ultimate strength and simulating the stress/strain response of general symmetric laminates subjected to combined loading,by taking into account the effect of matrix cracking.The ECM was adopted to mainly predict the in-plane stiffness reduction of the damaged laminate.Basic consideration that progressive matrix cracking provokes a re-distribution of the stress fields on each lamina within laminates, which greatly deteriorates the stress distributed in the primary load-bearing lamina and leads to the final failure of the laminates,is introduced for the construction of the failure criterion. The effects of lamina properties,lay-up configurations and loading conditions on the behaviors of the laminates were examined in this paper.A comparison of numerical results obtained from the established model and other existed models and published experimental data was presented for different material systems.The theory predictions demonstrated great match with the experimental observations investigated in this study.     

NUMERICAL SIMULATION OF 2D FIBER-REINFORCED COMPOSITES USING BOUNDARY ELEMENT METHOD

Introduction Withthedevelopmentofmodernindustry,compositesareincreasinglybeingappliedto agreatnumberofimportantstructures.Todeterminethemacroscopicaleffective characteristicsofcompositesisanessentialprobleminmanyengineeringapplications.The macroscopicalef…     

旋转式一孔测压管及其应用1）

由圆柱三孔型二元复合测压管的测速原理出发，提出用一孔测压管通过旋转实现平面气流速度大小与方向的自动测量，建立了相应的测试系统．通过大量实验，研究了该系统的性能．在多种回流和旋流流场测量中进行了应用．结果表明该系统测量原理正确，重复性好，精度高