纤维加强复合材料的总体粘弹性响应

在某些纤维增强复合材料(FRC)中使用金属或高分子聚合物作为基体材料。在高温等情况下,这类材料具有明显的粘弹性特性。本文采用Riemann—Liouville形式的分数阶导数模型描述基体的粘弹性特性。通过渐近均匀化方法给出了预测FRC整体三维本构关系的解析表达式。给出了应用于基体具有Makris粘弹性关系的具体形式。以圆截面纤维正方形排列的情形为例,给出了等效模量随纤维体积比的变化曲线。结果说明,这类复合材料仍具有粘弹性特性,其整体粘弹性本构关系的弹性部分综合了纤维弹性和基体弹性的贡献,粘性部分来自基体粘性的贡献,复合材料具有和基体相同的粘性系数和分数阶。为分析微结构特征对整体特性的贡献,须求解两类局部问题。可以看出,在整体的等效模量中包含了局部变形的贡献,局部变形增加了复合材料的耦合刚度。     

粘弹性树脂基三维编织复合材料的热膨胀性能研究

首先利用均匀化理论并结合有限元法研究了三维编织复合材料的粘弹性效应,根据松弛模量的计算结果研究了材料热膨胀系数随时间的变化关系,在此基础上,给出了编织结构和工艺参数(编织角、纤维体积比)对材料初始热膨胀系数的影响规律,计算结果与实验值吻合较好.论文工作为深入研究三维编织复合材料的热粘弹性能提供了基础.     

纤维排列方式对复合材料总体粘弹性常数的影响

对于金属基或高分子聚合物基复合材料，在特定情况下会表现出明显的粘弹性特性。本文采用Riemann—Liouville形式的分数阶导数模型描述基体的粘性特性，通过渐进均匀化方法给出了预测纤维加强复合材料整体本构关系的解析表达式，给出应用于基体具有Makris粘弹性关系的具体形式。最后，考察了圆截面纤维正方形排列和对角排列时的总体粘弹性弹性常数随纤维比的变化曲线。结果表明，这类复合材料仍具有粘弹性特性，其整体粘弹性本构关系的弹性部分综合了纤维弹性和基体弹性的贡献，粘性部分来自基体粘性的贡献，复合材料具有和基体相同的粘性系数和分数阶。为分析微结构特征对整体特性的贡献，须求解两类局部问题。在相同纤维体积比情况下，正方形排列的总体弹性系数大于正方形对角排列，而粘性常数相反。     

单向纤维增强复合材料中纤维断裂及其发展

纤维增强复合材料中某根纤维断裂后，断口作为裂纹向何处发展？它可以向纤维和基体的界面发展形成界面脱粘，也可向基体发展，造成基体开展，从而殃及邻近纤维。另外，一根纤维的断裂会在其邻近纤维中造成应力集中。本文采取轴对称边界元法对这些问题进行仔细研究。本文假定纤维在基体中成六角形分布，即每根纤维周围有六根纤维，均匀地分布在以该纤维为中心的圆周上。     

单向复合材料纤维断裂对局部应力集中的影响

本文采用剪切滞后理论，对单向辅设的增强复合材料中，纤维根数有限时纤维断裂所引起的局部应力集中的进行研究，确证了以往研究中假定纤维无限根的可行性，并定量展示了在断裂纤维和邻近纤维中的应力重分布。     

Laplace变换法及其在粘弹性波中传播的应用

针对波传播分析理论的发展历程进行了简要的综述,详细介绍了几种处理粘弹性波传播问题的分析方法,重点讲解Laplace变换法以及Laplace变换在粘弹性波中的应用,对比分析几种方法在各自应用上的优劣,由于Laplace变换法能准确地描述应力波在任意时刻、任意点的波动情况,在处理大尺寸混凝土类构件中应力波传播问题时具有其独特的优势。     

复合材料和粘弹性材料中的应力奇异性

在各种材料中,出现的应力奇异性已为工程技术人员的科学研究提供了丰富的素材,本文的主要目的在于对粘弹性材料的应力奇异性进行探讨,利用对应性原理从弹性材料导出粘生材料的应力奇异分布。     

粘弹性力学的对应原理及其数值反演方法

积分变换是处理粘弹性混合边值问题的重要数学工具,积分变换的应用使粘弹性混合边值问题在象空间与相应弹性混合边值问题对应起来,从而使粘弹性混合边值问题的求解可以继承和借鉴弹性问题的求解方法,再利用积分反演方法就可求得时间域粘弹性边值问题的解．本文结合国内外的研究成果,就粘弹性力学中存在的各种对应原理及数值反演方法进行了归类和总结．结合在求解粘弹性边值问题中的应用,对各类方法的特点进行了评述,并指出存在的问题及发展新的数值方法的研究重点．      

复合材料层合板粘弹性固化残余应力分析

基于Ｓｃｈａｐｅｒｙ积分型粘弹性本构关系，推导了考虑横向剪切效应的复合材料层合板线性热粘弹性有限元分析列式，对层合板的粘弹性响应和加工成型过程中的残余应力进行了分析，给出了一些有意义的结果。     

纤维增强复合材料热隐身斗篷设计

基于变换热动力学原理可获得具有热隐身性能的隐身结构(隐身斗篷)所需要的材料性质的空间分布。但这种材料性质的复杂分布形式以及局部热传导性能无限大等极值性质需求,使得隐身斗篷设计的实现非常困难,需要研究基于常规材料的隐身斗篷设计。本文基于常规材料的热隐身结构实现问题,提出了基于纤维增强复合材料圆环结构的实现热隐身的结构形式。首先,基于变换热动力学原理获得热隐身所需的热传导系数沿半径方向的变化规律;进而,通过设计复合材料不同位置的纤维铺设方式(含量和铺设方向)实现热隐身对材料性能的需求。选择金属银作为纤维,空气作为基体,设计出了具有热隐身性能的复合材料圆环结构纤维含量和铺设方向沿径向的分布方案。对该设计方案进行数值仿真,结果显示所设计的隐身结构具有良好的热隐身性能。由于设计方案基于常规材料,因此具有容易实现的优点。     

复合材料桥纤维拔出的动态裂纹模型

在无限大正交各向异性体弹性平面上对复合材料桥纤维平行自由表面的内部中央裂纹提出了桥纤维拔出的动态裂纹模型。通过复变函数将其转化为Reimann-Hilbert混合边界值问题。求得了裂纹在坐标原点受载荷Px/t、Px2/t作用的解析解。利用这一解析解可通过迭加原理求得任意复杂问题的解。     

Analytical modeling and vibration analysis of fiber reinforced composite hexagon honeycomb sandwich cylindrical-spherical combined shells

Applied Mathematics and Mechanics - This study analyzes and predicts the vibration characteristics of fiber-reinforced composite sandwich (FRCS) cylindrical-spherical (CS) combined shells with...     

一种碳纤维织物增强复合材料应变率相关的各向异性强度准则

为了获得一种碳纤维二维正交平纹机织布增强树脂基复合材料在一维应变状态下的强度准则,在已完成的准静态和动态压缩实验的基础上,拟合出了单轴压缩下三个主方向上的计及应变率的应力-应变关系式,进而得到初始屈服应力和压缩破坏强度与应变率相关性表达式。依据该表达式,得到了该复合材料在一维应变下考虑应变率效应的Tsai-Hill屈服强度和破坏强度准则方程。通过计算,考察了Tsai-Hill屈服强度和破坏强度准则随应变率的变化规律。结果表明,本文中研究的复合材料的强度性能,不但存在应变率效应,而且这种效应是各向异性的。     

玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析

为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度,分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验,从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品,在扫描电子显微镜下观察断口形貌,得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明：室温整体单轴拉伸断裂时,GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出;在高压瞬态冲击作用下,试样主要失效模式为纤维的脆性断裂,同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化,纤维与基体界面结合力降低,少数纤维熔融或软化附着在断口上,部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。

     

Modeling and analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite structures: A review

功能梯度碳纳米管增强复合材料是一种新一代的先进复合材料.在这种材料中,碳纳米管作为增强体在空间位置上梯度排布.功能梯度碳纳米管增强复合材料的力学行为已成为近年来材料科学与工程科学的研究热点.本文对功能梯度碳纳米管增强复合材料结构的建模与分析的研究进展进行评述,集中讨论功能梯度碳纳米管增强复合材料梁、板、壳在各种载荷条件下,边界条件下和环境条件下的线性和非线性弯曲、屈曲和后屈曲、振动和动力响应.文中所列成果可以看作是进一步研究的基石.最后,提出需要进一步研究的方向.     

Elasto-plastic constitutive relations of unidirectional fiber composites for cyclic loadings

The clasto-plastic constitutive behaviors of continuous fiber reinforced composites under cyclic loadings are studied by the micromechanics method in which the equal-strain model is used in the fiber direction, the equal-stress model in the other directions. It is supposed that fiber is linearly elastic and matrix is clastic-viscoplastic. The constitutive equations of the matrix are described by Bodner-Partom's unified constitutive theory. Boron/Aluminum composite, as an example, is investigated in detail for an understanding of the stress-strain relations and initial yield behaviors of metal matrix composites. Present results are compared with the experimental data.The project was supported by the Chinese National Natural Science Foundation.     

Asymmetrical dynamic fracture model of bridging fiber pull-out of unidirectional composite materials

An elastic analysis of an internal crack with bridging fibers parallel to the free surface in an infinite orthotropic anisotropic elastic plane is studied, and asymmetrical dynamic fracture model of bridging fiber pull-out of unidirectional composite materials is presented for analyzing the distributions of stress and displacement with the internal asymmetrical crack under the loading conditions of an applied non-homogenous stress and the traction forces on crack faces yielded by the bridging fiber pull-out model. Thus the fiber failure is ascertained by maximum tensile stress, the fiber ruptures and hence the crack propagation should also appear in the modality of self-similarity. The formulation involves the development of a Riemann-Hilbert problem. Analytical solution of an asymmetrical propagation crack of unidirectional composite materials under the conditions of two increasing loads given is obtained, respectively. In terms of correlative material properties, the variable rule of dynamic stress intensity factor was depicted very well. After those analytical solutions were utilized by superposition theorem, the solutions of arbitrary complex problems could be gained.     

An asymmetrical dynamic model for bridging fiber pull-out of unidirectional composite materials

An elastic analysis of an internal crack with bridging fibers parallel to the free surface in an infinite orthotropic elastic plane is studied. An asymmetrical dynamic model for bridging fiber pull-out of unidirectional composite materials is presented for analyzing the distributions of stress and displacement with the internal asymmetrical crack under the loading conditions of an applied non-homogenous stress and the traction forces on crack faces yielded by the bridging fiber pull-out model. Thus the fiber failure is determined by maximum tensile stress, resulting in fiber rupture and hence the crack propagation would occur in a self-similarity manner. The formulation involves the development of a Riemann-Hilbert problem. Analytical solution of an asymmetrical propagation crack of unidirectional composite materials under the conditions of two moving loads given is obtained, respectively. After those analytical solutions were utilized by superposition theorem, the solutions of arbitrary complex problems could be obtained.     

A nonlinear constitutive model of unidirectional natural fiber reinforced composites considering moisture absorption

Moisture absorption in natural fiber reinforced composites causes remarkable degradation of mechanical properties. A nonlinear constitutive model is proposed to study the effect of the water uptake on the mechanical properties of unidirectional natural fiber reinforced composites. Accompanying the water absorption in the composites, there are several irreversible thermodynamic processes such as fiber degradation and interface damage. The energy dissipation induced by these processes is described by an internal variable, and two degradation parameters representing interface damage and fiber degradation are introduced to reflect the modulus reduction of the composite. Particularly, the model is used to derive the evolution of elastic moduli influenced by the moisture absorption. The predictions from the present model show a good agreement with experiment results of sisal fiber unidirectional reinforced composites.