织物及织物复合材料本构理论与试验研究进展

织物复合材料具有高的抗损伤性, 各方向的性能优于层合复合材料, 因而引起人们的重视.织物增强复合材料由于其高比强度、易于制造和充分发展的织物技术等优点使其已经广泛用于航空、汽车和运动产品. 由于使用这些材料越来越普遍, 自动化生产替代了手工生产, 用精确的方法模拟材料的变形是必不可少的. 为了精确的反映材料的行为, 那么就需要描述材料力学性质的本构方程,而作为验证本构模型的试验是伴随着本构模型的发展而发展的.本文首先综述了织物及织物复合材料的发展和现状, 接着重点介绍了织物及织物复合材料的本构理论的研究发展, 并对织物及织物复合材料的斜拉伸试验、像框试验等内容进行了介绍. 最后根据织物复合材料的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

多尺度方法在复合材料力学分析中的研究进展

简要介绍了多尺度方法的分类及各自的适用范围,重点阐述了主要的多尺度分析方法------均匀化理论,详细论述了多尺度分析方法在纤维增强复合材料弹性、黏弹性、塑性、失效退化、热力学等力学性能中的研究进展,最后对多尺度分析方法的前景进行了展望.      

纤维增强复合材料强度理论的研究现状与发展趋势——"破坏分析奥运会"评估综述

复合材料强度涉及许多力学问题,计算分析复杂. 由于分析问题的角度和解决问题的方法不同, 迄今为止已经产生了许许多多不同的强度理论. 那么, 究竟这些理论的效果如何?为此,在英国的工程与自然科学研究委员会和机械工程师协会支持下, 一个堪称为复合材料``破坏分析奥运会'的评估于1991年启动并在2004年完成. 本文根据参赛理论和评比结果, 对复合材料破坏与强度理论的研究现状进行了简要综述, 并指出了今后发展所需解决的一些问题.      

Kevlar纤维增强复合材料动态压缩力学性能实验研究

通过实验较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料的动态压缩力学性能,实验结果表明,在冲击压缩载荷作用下Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应,针对Kevlar纤维增强复合材料动态应力应变实验曲线,提出了含损伤的率相关动态本构方程,由于所引入的损伤最反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果,因此所提出的本构方程形式相对说来比较简便并易于嵌入目前有关冲击力学的有限元或有限差分程序,有一定的工程应用价值。     

三相多重铁性复合材料的有效磁电弹性模量预测

采用平均场Mori-Tanaka模型,计算了三相复合材料的有效磁电弹性模量,研究了复合材料磁电系数与微观结构之间关系;结果表明掺杂相的体积分数与颗粒形状系数对复合材料的有效磁电系数有很大的影响,这些结果可为复合材料的实验设计提供理论参考和指导.     

共混/填充高分子复合材料界面力学行为实验研究进展

本文首先介绍了高聚物复合材料界面微观结构的特点和界面破坏的微观形式, 在此基础上,详细回顾了粒子填充高分子复合材料和共混高分子合金两类材料的界面力学性能实验研究的进展,总结了研究粒子/基体界面力学性能的实验方法和用这些方法获得的实验结果。介绍的实验方法从宏观拉伸实验到细观在位拉伸实验, 从定性的断口形貌分析到定量的界面强度和粘结能计算, 从不同层次和角度阐述了研究界面性能各种方法的优缺点。最后, 作者根据综合分析的结果, 指出了实验研究界面力学性能遇到的主要困难来自实验仪器的局限性和实验方法的匮乏性。为了获得可靠的界面性能, 一方面应该设计出利于表征的界面, 另一方面需要在实验技术上有所创新。相信该文对于深入了解和研究共混/填充高分子复合材料的界面问题, 以及其它类型材料的界面问题具有一定的借鉴意义。      

韧性断裂裂纹尖端的物理特征和力学行为

本文综述了金属材料发生韧性断裂的裂尖钝化,孔洞成核和长大,孔洞-孔洞或孔洞-裂尖汇合导致裂纹扩展的物理特征,和描述这些特征的本构理论及物理模型。      

动脉壁静态非线性力学性质的实验和理论研究

在动脉血管壁力学实验及已有的拟弹性理论研究基础上,提出了一个理论模型来分析具有残余应力动脉壁的非线性力学性质． 在动脉壁被模拟为均质、正交各向异性、不可压缩和具有初应力材料的前提下,建立了一个表达有残余应力动脉壁静态三维非线性拟弹性性质的ｅ指数型本构方程． 动脉壁本构方程中的十个拟弹性参数是用我们的动脉实验数据及所发展的多曲线联合逼近算法数据拟合来确定．     

纤维增强复合材料界面的力学行为

研究材料的界面和表面的力学行为与破坏机理,是当代材料科学、力学、物理学的前沿课题之一,而复合材料界面问题更有其自身的特殊性和复杂性。本文结合笔者的研究工作重点讨论了纤维复合材料界面力学的共性问题,阐述了复合材料界面的性质、复合材料界面的力学模型和理论、界面力学表征的实验研究、界面损伤破坏机理、界面对复合材料力学性能的影响等5个方面。     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

ANALYSIS OF INTERPHASE MECHANICAL BEHAVIOR WITH INTERFACE ELEMENT IN THE COMPOSITE MATERIALS

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Measurement of energy release rates for delaminations in composite materials

Conventional measurements of energy release rates,G _I andG _II, for delaminations in composite materials, generally utilize loads, crack lengths and simple standard specimen geometries. In this work, a more widely applicable measurement method, using phase shifting moiré and the J integral, is presented. The experimental technique described requires only fringe-pattern information and the elastic constants for the measurements—thus it can be used when the standard methods are inapplicable. Using conventional double-cantilever beam and end-notched flexure specimens, the energy release rate has been measured simultaneously by the moiré method and the standard methods, with good agreement found between the two. This development will for the first time permit the experimental validation of new finite-element routines as they are developed.Paper was presented at the 1993 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in Dearborn, MI on June 7–9.     

Experimental investigation of dynamic punch tests on isotropic and composite materials

An experimental investigation is conducted on the two-dimensional punch problem for isotropic materials and unidirectional fiber-reinforced composite materials under quasi-static and impact loading. Singular stresses are generated in the specimen near the punch corners, and the stress intensity factorK _Iis introduced to describe the singular stress field. Laser interferometry is used to measure in-plane stresses (transmission mode) and out-of-plane displacements (reflection mode) and then estimate the stress intensity factor. In the dynamic case, a high-speed photography technique was employed to capture the transient response of the specimen and measureK(t) just after the impact. In all the cases, a good agreement between the measurements ofK and theoretical predictions was found.     

金属型含能材料力学行为研究进展

含能材料是一种在高温/高压作用下能够发生化学反应,并释放大量能量的新型材料。金属型含能材料作为其中一类,因密度大、强度高、稳定性好等优异性能,成为了现代武器装备中关注的重点材料之一,在破片战斗部等军事领域有着广泛的应用潜力。其中,材料的力学性能直接影响武器装备对目标的侵彻能力,决定着对目标的最终毁伤威力,一直是武器装备应用中关注的关键参数之一。为实现金属型含能材料高穿甲能力并保证高释能特性,研究人员对其力学性能开展了大量研究。本文中,对金属型含能材料力学行为的研究现状进行了综述,包括简单介绍金属型含能材料的制备工艺和力学性能测试系统,详细梳理金属型含能材料力学性能研究、微观分析及理论研究等4个方面的研究进展。总结认为,目前对金属型含能材料力学性能的研究已经有了一些成果,但是缺乏其他复杂环境条件以及其他关键工艺对其力学性能影响的研究,同时缺少材料微观性能对其力学性能的影响以及微观行为和宏观行为之间关联机制的研究,并且尚未建立能够准确反映材料在热、力、率等复杂条件下的力学理论模型。因此,制备性能优异的金属型含能材料、开展复杂条件下金属型含能材料力学性能研究、探索微观行为与宏观行为之间的关联机制,以及建立和完善材料本构模型等研究内容,将是推动金属型含能材料工程应用的重点。

     

The strain energy density ratio criterion for predicting cracking direction in composite materials

The strain energy density ratio criterion for predicting cracking direction incomposite materials is proposed.The Tsai-Hill criterion and Norris criterion ofcomposite materials are extended to predict the cracking direction in composites.Thethree criteria are used to analyse the crack propagation problem of the unidirectionalfibre composite sheet with various fibre directions.The predicted results are comparedwith those of the existing normal stress ratio criterion and strain energy densitycriterion.     

A mathematical theory of materials with elastic range and the definition of back stress tensor

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｇｅｎｅｒａｌ,ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｈａｒｄｅｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｂｙａｖａｒｉａｂｌｅｃａｌｅｄｂａｃｋｓｔｒｅｓｏｒｓｈｉｆｔｔｅｎｓｏｒ．Ｉｔｓｖａｌｕｅｒｅｐ...     

含损伤材料的热粘塑性本构关系及其应用

对含损伤材料的热粘塑性本构关系进行了较全面和较系统的研究。首先对半径回归方法的本构公式给出了最一般性的严格证明,并讨论了其适用性和局限性。接着以应力空间中的屈服函数和Drucker公设为基础,以材料本构关系的内变量理论为工具,推导并建立了增量型热粘塑性本构关系的普适形式和计算流程。然后结合实践中最常用的几类本构模型,导出了所建立的增量型动态本构关系的具体形式,并简要总结了其各自的特点和意义。最后通过一些典型的波传播和高速冲击问题的算例,介绍了所建立的本构关系及计算方法的具体应用情况和效果,从而展示了其理论意义和应用前景。     

Analysis of shear localization in porous materials

A set of constitutive equations are derived based on the authors' lower bound yield loci for porous materials. By using these equations, the conditions for shear localization in porous materials are then investigated and the results are compared with those of Gurson's equations and the finite element analysis. The advantages of the present constitutive equations are fully illustrated.     

Kinematics and elasticity framework for materials with two fiber families

A kinematics framework is developed for materials with two fiber families that are not necessarily orthogonal or mechanically equivalent. These two latter conditions represent important subclasses that are analyzed. To succinctly define the strain, six scalar strain attributes are developed that have direct physical interpretation. In the hyperelastic limit, this approach allows the Cauchy stress t to be expressed as the sum of six response terms, almost all of which are mutually orthogonal (i.e. 14 of the 15 inner products vanish). For small deformations, the response terms are entirely orthogonal (i.e. all 15 inner products vanish). Experimental advantage is demonstrated for finite strain hyperelastic materials by showing that common tests, for the first time, can directly determine terms in the strain energy function of two fiber composites.Received: 18 September 2002, Accepted: 5 May 2003, Published online: 29 July 2003