增强纤维材料高温烧蚀-相变特性的细观研究

通过高温环境下多种纤维材料的体积烧蚀机理的分析,利用细观力学的 Eshelby等效夹杂方法研究了材料烧蚀-相变特性和高温力学性能变化规律.假设材料体积烧蚀后热解相（真空）和氧化相（空气）介质统计均匀分布,考虑了热化学反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同纤维材料弹性模量随温度、加温速率之间的变化关系,并与实验结果对照,吻合较好.     

纳米晶材料变形行为的微观力学分析

将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料.基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系.最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较.     

复合材料动态粘弹性能的细观研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了颗粒增强复合材料的动态粘弹性力学性能,分析了材料复模量随夹杂体积分数、载荷频率之间的变化规律,给出了许多有意义的结论,为复合材料结构的优化设计及应用提供了理论基础.     

多胞材料的力学行为

多胞材料具有独特的力学性质,其工程应用日益增加.人造多胞材料可以分为蜂窝材料和泡沫材料两类.本文介绍了这两类材料在不同载荷条件下力学行为的研究概况.对于某些天然材料(木材和松质骨)的多胞结构及其模型也作了简要介绍.     

A PREDICTIVE APPROACH TO THE IN-PLANE MECHANICAL PROPERTIES OF STITCHED COMPOSITE LAMINATES

This contribution attempts to model the alteration of the in-plane elastic properties in laminates caused by stitching,and to predict the in-plane effective tensile strength of the stitched composite laminates.The distortion of in-plane fibers is considered to be the main cause that affects the in-plane mechanical properties.A fiber distortion model is proposed to characterize the fiber misalignment and the fiber content concentration due to stitching.The undistorted region,the fiber distortion region,the resin-rich pocket and the through-thickness reinforcement section are taken into account.The fiber misalignment and inhomogeneous fiber content due to stitching have been formulated by introducing two parameters,the distortion width and maximum misalignment.It has been found that the ply stress concentration in stitched laminates is influenced by the two concurrent factors,the stitch hole and inhomogeneous fiber content.The stitch hole brings about the stress concentration whereas the higher fiber content at the local region induced by stitching restrains the local deformation of the composite.The model is used to predict the tensile strength of the [0/45/0/-45/90/45/0/-45]_(2s) T300/QY9512 composite laminate stitched by Kevlar 29 yarn with different stitching configurations,showing an acceptable agreement with experimental data.     

多胞材料的力学行为

多胞材料具有独特的力学性质,其工程应用日益增加.人造多胞材料可以分为蜂窝材料和泡沫材料两类.本文介绍了这两类材料在不同载荷条件下力学行为的研究概况.对于某些天然材料(木材和松质骨)的多胞结构及其模型也作了简要介绍.      

复合材料有效弹性性质分析方法eeeeee

建立复合材料的有效性质与微结构参数的关联,是复合材料优化设计的基础。本文具体针对有效弹性性质,重点介绍了建立有效性的基本思路 和主要分析方法。首先讨论了代表单元的概念,然后分别从复合材料有效性质的普适关系、界限理论和近似方法三个不同的视角较全面的介绍了建立非均质材料有效性质的方法、主要结果和最新进展。重点从构型的概念和微结构分布形式上分析了各种模型间及分析方法之间的联系与差别。最后还就建立非均质材料有效性质中存在的问题和研究热点做了简单的介绍。     

A THEORY OF EFFECTIVE THERMAL CONDUCTIVITY FOR MATRIX-INCLUSION- MICROCRACK THREE-PHASE HETEROGENEOUS MATERIALS BASED ON MICROMECHANICS

The effective thermal conductivity of matrix-inclusion-microcrack three-phase heterogeneous materials is investigated with a self-consistent micromechanical method (SCM) and a random microstructure finite element method(RMFEM). In the SCM, microcracks are assumed to be randomly distributed and penny-shaped and inclusions to be spherical, the crack effect is accounted for by introducing a crack density parameter, the effective thermal conductivity is derived which relates the macroscopic behavior to the crack density parameter. In the RMFEM, the highly irregular microstructure of the heterogeneous media is accurately described, the interaction among the matrix-inclusion-microcracks is exactly treated, the inclusion shape effect and crack size effect are considered. A Ni/ZrO₂ particulate composite material containing randomly distributed, penny-shaped cracks is examined as an example. The main results obtained are: (1) the effective thermal conductivity is sensitive to the crack density and exhibits essentially a linear relationship with the density parameter; (2) the inclusion shape has a significant effect on the effective thermal conductivity and a polygon-shaped inclusion is more effective in increasing or decreasing the effective thermal conductivity than a sphere-shaped one; and (3) the SCM and RMFEM are compared and the two methods give the same effective property in the case in which the matrix thermal conductivity λ₁ is greater than the inclusion one λ₂. In the inverse case of λ₁ < λ₂, the two methods agree as the inclusion volume fraction and crack density are low and differ as they are high. A reasonable explanation for the agreement and deviation between the two methods in the case of λ₁ < λ₂ is made. This work was supported by the National Natural Science Foundation of China and Chnese “863” High-Tech, Program.     

开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究

采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative,IDD)的理论框架,引入裂纹的密度$\rho$和裂纹开度比$b$,提出了裂纹夹杂$\!$-$\!$-$\!$基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度$f$,定义与连通度相关的水平裂纹密度$\rho^{h}$,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率$K_{m}$、裂纹密度$\rho $、裂纹开度比$b$以及与连通度$f$相关的$\rho ^{\rm h}$.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1(无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2(关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.      

形状记忆合金相变塑性的统一本构理论

本文根据单品相变时其宏观(长程)切应变(等效应变)与外加切应力(等效应力)问的幂函数关系假定,建立了形状记忆合金多晶体相变塑性的统一细观本构理论,它推广了现有细观本构理论的结果,消除了现有理论中存在的当外加偏应力趋于零时自由能函数的不连续性和宏观塑性变形的不连续性。这一本构理论将能统一地描述在不同温度和载荷下记忆合金所呈现的各种行为。     

平面织物复合材料机械性能的数值细观力学分析

本文根据应变能等效原理,利用有限元分析方法,处理了单层平面织物复合材料弹性性质的细观力学估算问题.建立了平面织物增强树脂的单方向波纹模型,对于织物的结构,组分性质与复合材料的宏观性能的关系作了系统处理.给出了一组较完整的平面织物复合材料单层弹性常数的估算结果,数值予告与实验结果比较,表明文中所提出的方法是有效的,并且可以进一步用它来考虑更为完善的平面织物复合材料二维波纹模型的分析.     

多相材料有效性能预测的高精度方法

有效介质方法是常用的细观力学方法之一.其可用于计算多相材料的有效性能,并建立材料微细观结构和宏观性能的定量关系;有助于指导新材料设计,减少试验工作量等.然而,当夹杂含量升高时,传统有效介质方法的计算精度下降.本文以两相材料为研究对象,提出一种新的参考介质,即:为更合理考虑不同夹杂颗粒间的相互作用,假定参考介质的应变是基体相平均应变和某一修正张量的双点积.在此基础上,推导了新参考介质下两相材料的有效模量表达式,并给出该修正张量的近似计算方法;通过反复更新参考介质,采用多层次均匀化思路,将本文方法进一步用于多相材料性能的预测.为验证方法的有效性,将预测结果与已有模型结果和试验数据进行对比.结果表明本文方法较已有方法更为合理、有效.当夹杂含量升高时,本文方法较传统有效介质方法的计算精度有所提升.     

连续体拓扑优化的浮动参考应变能密度法

采用浮动区间法分析连续体结构拓扑优化问题. 该方法的要点是：将结构的 拓扑优化过程看作骨骼生长过程,而生长过程由浮动应变能密度区间控制,即一点处材料的 增减由该点处材料的应变能密度与参考区间比较确定. 参考区间的更新由优化问题的主动约 束给出. 通过两个数值算例验证了该方法的可行性.     

爆炸载荷下RC单向简支板的能量法优化设计

由钢筋混凝土(RC)板的抗力-位移(R-y)曲线特性可知,曲线下方面积代表板在爆炸载荷作用下可能吸收的能量. 对爆炸载荷作用下RC板的R-y曲线采用双折线模型,计算不同配筋率的R-y曲线下方面积,面积最大时的配筋率即可定义为相应设计的最佳配筋率.考虑材料非线性及高应变率对混凝土和钢筋强度的影响,采用分层法迭代求解抗力-挠度(R-y)曲线. 研究结果可供受爆炸载荷的RC板优化设计借鉴.     

从受拉杆变形浅析弹性力学中的最小势能原理

最小势能原理是弹性力学中较难理解的知识点。本文通过对弹性杆轴向受拉时的弹性势能、外力势能和总势能的变分分析,得出总势能变分是位移变分或应变变分的二阶无穷小量,并在位移变分或应变变分为零时,总势能取得极小值。弹性杆轴向受力变形的分析应验了最小势能原理,有助于对一般情况下最小势能原理的深刻理解。     

结构随机动力稳定性的定量分析方法

提出了结构随机动力稳定性的定量分析方法,讨论了经典的随机动力稳定性概念,指出结构动力稳定性不仅与结构参数有关,也与作用在结构上的外部载荷密切相关,据此引入了一种判定结构动力稳定性的新准则,明确了结构随机动力稳定性的基本涵义.在概率守恒原理基础上,推导了概率耗散系统的广义概率密度演化方程.引入结构动力失稳的物理机制作为引起概率耗散的驱动力,利用概率耗散系统概率密度演化方程、可以方便获得结构响应的概率密度演化过程,从而定量求解结构的动力稳定概率.据此,可以定量评价结构系统依概率为1或依给定概率意义上的结构随机动力稳定性.采用本文所建议方法对典型结构动力系统进行了随机动力稳定性分析,并与蒙特卡洛方法计算结果进行对比.数值结果表明了所建议方法的有效性.      

关于复合材料弹塑性的一个理论描述

根据格林函数理论和微扰方法，提出了描述复合材料弹塑性（非线性应力－应变关系）行为的简单理论．对陶瓷颗粒增强金属基复合材料，给出了两个不同的解。ＳｉＣ／Ａｌ复合材料的计算实例表明，理论结果与实验结果是相符合的．     

一种快速逼近Fourier级数和的实用算子

采用逐次平均方法,构造一种快速逼近Ｆｏｕｒｉｅｒ级数和实用算子（逐次平均算子）,用这种算子来取代Ｆｏｕｒｉｅｒ级数无穷项求和,具有误差小,收敛速度快的功能。志Ｆｅｊｅｒ算子比,它的逼近性要好得多,与Ｋｏｒｂｉｎ算子比,它更易于实用,理论证明其一般性,计算著名的Ｓａｆｆｍａｎ－Ｔａｙｌｏｒ粘性指进问题时应用逐次平均算子,既不产生大的截断误差,又能避免高频振荡而使计算过程稳定,得到很好的结果。     

水泥砂浆界面相弹性常数的反演计算

为了计算水泥砂浆界面过渡区的弹性常数,采用广义自洽方法(GSCM),根据水泥砂浆内部的微细观结构,建立了由水泥浆基体、岩石离散夹杂(骨料)、界面过渡区(ITZ)和有效弹性材料组成的四相复合材料模型.推导了界面相的体积模量和剪切模量方程.利用已知水泥砂浆材料的实验数据,计算了界面相的弹性常数.发现界面相剪切模量约为水泥浆基体剪切模量的50%.