脆性材料的均强度破坏准则

在大量工程陶瓷和玻璃力学性能研究的基础上,针对脆性材料的强度特点,提出一个新的强度准则——均强度准则.指出了脆性材料存在一个固有特征——破坏发生区,并导出了相应的解析表达式.应用该理论解释了弯曲强度的尺寸效应,给出了不同尺寸试件弯曲强度的关系式.并通过一系列实验以及格里菲斯的经典实验验证了均强度准则的正确性和可行性.为工程陶瓷等脆性材料的力学性能评价提供了一个有效的破坏准则.     

SMC-R50复合板撞击破坏的定量研究和剩余强度的预报

本文研究了SMC—R50的撞击破坏,以及撞击破坏所引起的材料强度和刚度的降低. 撞击破坏引起SMC-R50薄板的厚度发生变化,以厚度变化作为衡量破坏的尺度.将宽试件切成窄条试件,以便实验测定一个“点”的剩余模量和剩余强度,并建立厚度变化与相应的模量和强度之间的关系. 用有限元方法分析受撞击的50.8mm宽试件的应力.把破坏区简化成各向同性线弹性的非均匀体,根据各单元的平均厚度变化,确定其相应的材料常数.用SAPⅣ计算出单元的主应力.用最大拉应力强度理论判断随着载荷增加时,其中某些单元逐次破坏并得出该试件的破坏载荷.理论预报与实验结果,吻合良好.     

材料非均匀性对泡沫金属拉伸性能的影响

通过对开孔泡沫铝进行拉伸实验,考察了泡沫金属材料的非均匀性对其拉伸性能的影响.首护先,通过分析同一批试件的初始密度,考察了材料的初始非均匀性;其次,重点考察了初始密度对材料破坏特性的影响.分析表明,即使初始密度比较接近的试件,它们的破坏应力和应变也有较大的离散性;对于不同初始密度的试件,破坏强度有随初始密度的增加而变大...     

用动态焦散线方法研究圆环在冲击载荷作用下的破坏机理

本文用动态焦散线实验方法并结合理论分析,深入地研究了圆环在冲击载荷作用下的破坏问题。考察了试件的几何尺寸和支承材料对破坏模态及破坏过程的影响。用应力波传播的几何理论(rays-theory)分析了应力波在圆环内部的传播过程,着重分析了圆环中应力波聚焦的现象。理论分析和实验结果在破坏时刻和破坏位置上吻合的很好。     

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。     

混凝土断裂过程及尺寸效应分析

为研究混凝土裂纹断裂过程和最大承载力计算方法,通过实验机对四种不同尺寸混凝土紧凑拉伸断裂试件进行了加载过程实验,并对其中一个试件进行应变片跟踪测试.由实验结果分析得到了一系列关系曲线,如试件的载荷-加载点位移关系曲线,断裂损伤区变形随载荷变化曲线;并且计算了不同尺寸断裂试件的应力强度因子.结合计算粘聚裂纹应力强度因子的公式与断裂准则,完成了对承载力理论值的计算,并将其与实验峰值平均值进行对比,其结果是两者相比误差较小,表明此种计算裂纹结构最大承载力方法是可行的.     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

激光辐照与拉伸预应力作用下复合材料试件的破坏研究

对复合材料T300/FAG80试件在室温及激光辐照下的力学性能进行了测试,得到材料的纵横向有效弹性模量以及拉压破坏强度,并分析激光参数对于材料力学性能的影响.试验采用波长为1064nm的Nd:YAG连续输出激光器,在不同拉伸预应力下,以不同功率密度激光辐照复合材料,并使用高速摄像机进行同步观测,对烧蚀破坏机理进行了分析并预测激光强度对于材料性能影响的趋势走向.使用有限元软件对激光辐照复合材料试件破坏时间进行数值建模,将计算结果与试验结果相对比,数据基本吻合.     

蜂窝夹层复合材料老化强度与疲劳性能的试验研究

本文对蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验进行了研究。通过对该材料在老化前后的拉伸、压缩、面内剪切机械性能测试,以及在不同应力水平下的疲劳试验,分析试验结果,得出了标准老化环境对试件的拉伸、压缩承载能力影响不大,而蜂窝夹芯的排列方向对面内剪切试件的强度和疲劳寿命将产生一定的影响等一些对实际工程应用的问题有参考价值的结论和看法。本文还就蜂窝夹层复合材料老化强度和疲劳试验中的一些试验方法、试件的破坏形式、试验件的胶接方法进行了探讨。     

聚氨酯泡沫塑料的强度与断裂韧性

针对3种密度的聚氨酯泡沫塑料进行了拉伸实验。通过无缺口试件确定了3种密度泡沫塑料的拉伸断裂强度,而利用有缺口试件确定了这些材料的拉伸断裂韧性。为了研究高密度泡沫塑料的拉伸断裂机制,还对破坏后试件进行了扫描电镜分析。此外,还简要讨论了泡沫塑料拉伸断裂力学性能的理论预测问题。     

Theoretical prediction of stiffness and strength of three-dimensional and four-directional braided composites

Based on unit cell model, the 3D 4-directional braided composites can be simplified as unidirectional composites with different local axial coordinate system and the compliance matrix of unidirectional composites can be defined utilizing the bridge model. The total stiffness matrix of braided composites can be obtained by the volume average stiffness of unidirectional composites with different local axial coordinate system and the engineering elastic constants of braided composites were computed further. Based on the iso-strain assumption and the bridge model, the stress distribution of fiber bundle and matrix of different unidirectional composites can be determined and the tensile strength of 3D 4-directional braided composites was predicted by means of the Hoffman＇s failure criterion for the fiber bundle and Mises＇ failure criterion for the matrix.     

Experimental and analytical characterization of multidimensionally braided graphite/epoxy composites

This paper presents results of an investigation of a novel, through-the-thickness fiber-reinforced composite material. The generic name for this composite technology is multidimensional (X-D) braiding. X-D braided composites consist of a net-shaped, densely braided fiber skeleton which is rigidized with a structural epoxy-resin system. This material is an alternative to the conventional laminated composite and has the potential for being more resistant to delamination and matrix cracking. This paper describes results of the mechanical characterization of one graphite fiber system which was braided into panels in which two braid parameters could be investigated. The variables investigated included the effect of edge condition and braid pattern on the tensile, compressive and flexural properties of the braided panels. These properties were obtained in the braid direction only. The cutting of the specimen edges substantially reduced both tensile and flexural strengths and moduli. Of the three braid patterns investigated, 1×1, 3×1, and 1×1×1/2 F, the 3×1 braid pattern showed superior tensile performance, while the 1×1×1/2 F braid pattern exhibited superior flexural properties. The development of an analytical method for modeling the tensile performance of the multidimensionally (X-D) braided composite is also presented. The fiber geometry in X-D braids was modeled based on the braid parameters used in the construction of these composites. By the nature of the symmetry of the resulting braided structure, an analytical model based on classical lamination theory was used to determine the extensional stiffness in the three principal geometric directions of a braided composite. These analytical results are shown to compare favorably with those obtained experimentally. Finally, to further validate the ability of this material to contain damage, multidimensionally braided and conventionally laminated panels were impacted and the resulting damage was nondestructively determined. The multidimensionally braided material was shown to reduce the area of damage caused by impact by a factor of three for the energy levels tested.     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性数值分析

基于考虑纤维束相互挤压的八边形纤维束截面单胞模型,引入周期性位移边界条件,采用 细观非线性有限元方法,建立了三维四向编织复合材料的渐进损伤拉伸强度模型. 该模型考 虑了增强体纤维束纵向非线性剪切应力-应变关系,采用Hashin型损伤失效准则定义了纤维 束的典型损伤类型,并根据纤维束和纯基体相应损伤类型所造成的材料性能退化,模拟了不 同编织角试件各类损伤产生、扩展及材料最终破坏的整个过程. 模型数值结果与实验数据吻 合较好,证明了该模型的合理有效性. 探讨了组分材料剪切非线性、损伤对材料宏观非线性 本构行为的影响,结果表明：随着编织角增大,纤维束剪切非线性效应和累积损伤对材料非 线性力学行为的影响明显增强.     

三维五向编织复合材料渐进损伤分析及强度预测

基于五向编织复合材料连续体细观结构单胞,提出了材料的三维渐进损伤分析模型,采用非线性有限元方法并结合均匀化平均思想,建立了三维五向编织复合材料的强度预测胞元模型.经研究典型编织角材料在拉伸载荷作用下细观损伤的发生及演化过程,分析了材料的细观失效机理,获得了材料的宏观拉伸应力应变曲线和极限破坏强度,并详细探讨了工艺参数编织角对材料宏观力学性能的影响规律.     

树脂基三维编织复合材料粘弹性性能的有限元分析

根据材料的细观结构,采用APDL语言分别建立了纤维束和三维编织复合材料两级单胞的参数化几何模型;推导了Prony级数表示的树脂粘弹性本构方程,对模型进行了组分材料参数设置;对纤维束单胞模型进行扫掠式网格划分,对三维编织复合材料单胞模型进行线-面-体式网格划分;对两级单胞模型均施加合理的边界条件,使单胞边界上的位移满足周期性和连续性。以有限元模型为基础,计算了三维编织复合材料的粘弹性能,并给出了材料粘弹性效应随工艺参数变化的规律。计算结果表明:三维编织复合材料编织方向的粘弹性效应随编织角的增大而增强,随纤维体积比的增大而减弱。该结果与已有实验结论一致。     

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.     

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...     

二维三轴编织复合材料的弹性性能分析

提出了二维三轴编织复合材料的几何模型,模型考虑了纤维束的弯曲扭转状态及空间交错特性等几何元素.基于体积平均法,建立了预测二维三轴编织复合材料弹性性能的理论分析模型;通过引入更普遍适用的周期性位移边界条件,结合二维三轴编织复合材料的细观实体结构,建立了分析其力学性能的有限元模型.两种模型预测结果均与试验结果吻合,证明了方法的合理有效性.分析了材料受载下的细观应力分布,并讨论了编织参数对材料性能的影响.研究表明,二维三轴编织复合材料轴向性能得到了增强,应力分布更均匀,编织角以及纤维体积含量对材料弹性性能影响较大.     

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。