含界面相效应的纤维增强复合材料桥联增韧力学分析

本文对纤维增强复合材料桥联增韧进行了详细的断裂力学分析，基于Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏ＇ｓ定理和界面剪滞模型，得到了含界丰效应的复合材料桥联增专访和裂纹线开位移的控制议程；并按照第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程的迭代解法，给出其数值结果，为例题于分析界面相参数对增韧效果的影响，寻求了该控制方程的近似解解析表达式，对近似解进行了误差估计，证明了解的可行性，在此基础上得到了界面剪切模量，裂纹长度。界面厚度，     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用.由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞.采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层.当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值.根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量.主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响.结果表明:不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响.     

含有功能梯度界面相压电纤维复合材料的平面问题

基于复变函数理论和线弹性压电材料本构方程,研究了含有功能梯度界面相压电纤维复合材料平面问题的电-弹场.首先基于复变函数理论,对功能梯度界面相分层均匀化处理,然后将基体、分层均匀化后的界面相以及压电纤维的复势设定为含有待定系数的级数解形式,再通过边界条件建立相应的方程组求解复势中的待定系数,最后求得在各种载荷下压电复合材料的电-弹场.研究结果表明功能梯度界面相的材料属性对压电复合材料的电-弹场有重要的影响.     

含界面相复合材料热残余应力分析

本文分析了含有界面相纤维增强复合材料热残余应力的空间分布。针对材料实际微结构几何特点,建立含有界面相的三维三相单丝模型,用均匀和梯度函数描述界面相模量随空间变化规律,由轴对称体弹性力学理论得到单丝热残余应力分布,结果表明梯度界面降低了残余应力。通过碳纤维电阻法测出T300/环氧树脂单丝体系固化后的纤维轴向应变,与梯度界面的分析结果基本一致。用叠加方法得到密排六方结构代表性体积元(RVE)中纤维间相互偶合的应力场,同时应用有限元法分析RVE中纤维间的残余应力分布,两者结果相互验证。     

反平面剪切作用下双材料滑动界面的细观力学模型

非理想粘结界面对多相材料力学性能具有重要影响。对于双材料间含众多随机分布微裂纹的界面，宏观上可以等效为连续损伤的弱界面，其两侧的面力连续而位移有间断。只有切线方向的位移间断，而法线方向位移连续的弱界面称之为滑动界面。在反平面剪切的作用下，我们证明了对于含有随机分布微裂纹的弹性双材料界面在宏观上等效为线弹簧型滑动界面，并获得了滑动界面柔度的一般表达式。利用Mori—Tanaka方法和广义自洽方法，我们研究了滑动界面柔度系数和微裂纹密度的关系。对这两种方法所得的结果进行比较发现，Mori—Tanaka方法得到的界面柔度比广义自洽方法得到的界面柔度大。当裂纹密度比较小时，这两种方法求得的界面柔度很接近。两种方法的结果都表明，界面柔度随裂纹密度的增加而增加。Mori—Tanaka方法比广义自治方法求解更为简便。     

考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射技术,研究了远场作用反平面剪切载荷作用下考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能.给出了孔边应力场的精确解,获得了裂纹尖端应力强度因子的解析解答.数值算例中讨论了裂尖应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律.结果表明:当三角形孔的尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;随着三角形孔尺寸的增大,论文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随孔边裂纹长度的增加,先增大而后减小;当孔边裂纹长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著.     

各向异性和各向同性介质中反平面剪切波的相似性

近年来,刘殿魁等发表了一系列文章讨论各向异性介质中反平面剪切波的多种问题。与反平面剪切波对应的平衡问题是柱体的扭转问题。在五十年代以前,各向异性柱体的扭转问题被看作回异于各向同性柱体的扭转同题而曾受到众多的研究。在专著[8]§10.3,§10.4中,作者通过适当的坐标变换,首次将各向异性柱体的扭转问题转化为一个相当的各向同性的问题,从而建立了两者之间的相似性。有了这个相似性后,各向异性柱体的扭转问题就无需作专门的研究。而可把它归并入各向同性的问题。对反平面剪切     

复合材料尖劈和接头端部奇性场的反平面问题研究

提出了一个基于位移的分析尖劈端部奇性位移场和应力场反平面问题的非协调元特征法.该方法与过去原有求解裂纹尖端近似场的有限元特征法有几点不同:(1)导出虚功原理的出发点为二维扇区的散度原理;(2)有限元的单元形式为非协调元;(3)尖劈端部邻域内的位移场假定没有采用奇异变换技术.运用该方法给出了求解正交各向异性复合材料尖劈端部附近奇性应力指数、奇性位移和应力角分布函数的算例.计算结果表明,该方法较原来的有限元特征法所用的单元少而且精度高.     

不同材料界面共圆弧裂纹的反平面问题

本文首次将不同弹性材料界面共圆弧裂纹版平面问题,化为解析函数边值问题,获得了一般解答,由此求出了几种典型情况的精确解,算出了应力强度因子。当两种材料相同时,本文结果与文[S]完全吻合。     

BRIDGE-TOUGHENING ANALYSIS OF THE FIBER REINFORCED COMPOSITE CONTAINING INTERPHASE EFFECT

A detailed fracture mechanics analysis of bridge-toughening in a fiberreinforced composite is presented in this paper.The integral equation governing bridge-toughening as well as crack opening displacement (COD) for the composite withinterfacial layer is derived from the Castigliano's theorem and interface shear-lagmodel.A numerical result of the COD equation is obtained using the iteration solutionof the second Fredholm integral equation.In order to investigate the effect of variousparameters on the toughening,an approximate analytical solution of the equation ispresent and its error analysis is performed,which demonstrates the approximatesolution to be appropriate.A parametric study of the influence of the crack length,interracial shear modules,thickness of the interphase,fiber radius,fiber volumefraction and properties of materials on composite toughening is therefore carried out.The results are useful for experimental demonstration and toughening design includingthe fabrication process of the composite.     

EXACT SOLUTION FOR ORTHOTROPIC MATERIALS WEAKENED BY DOUBLY PERIODIC CRACKS OF UNEQUAL SIZE UNDER ANTIPLANE SHEAR

Orthotropic materials weakened by a doubly periodic array of cracks under far-field antiplane shear are investigated, where the fundamental cell contains four cracks of unequal size. By applying the mapping technique, the elliptical function theory and the theory of analytical function boundary value problems, a closed form solution of the whole-field stress is obtained. The exact formulae for the stress intensity factor at the crack tip and the effective antiplane shear modulus of the cracked orthotropic material are derived. A comparison with the finite element method shows the efficiency and accuracy of the present method. Several illustrative examples are provided, and an interesting phenomenon is observed, that is, the stress intensity factor and the dimensionless effective modulus are independent of the material property for a doubly periodic cracked isotropic material, but depend strongly on the material property for the doubly periodic cracked orthotropic material. Such a phenomenon for antiplane problems is similar to that for in-plane problems. The present solution can provide benchmark results for other numerical and approximate methods.     

涂层对复合材料电-磁-弹性性能的影响

研究带界面层的双周期排列电磁弹性纤维复合材料在远场反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下的电-磁-弹性响应,结合本征广义应变(本征应变、本征电场、本征磁场)的概念和双准周期Rimann边值问题理论为其发展了一个严格的解析分析方法.解答可用于对胞元内电磁弹性场量进行精细分析,也可对复合材料有效电磁弹性模量做出准确预测.以纯弹性环氧树脂涂层为例,分析了涂层对应力集中系数和有效电磁弹性模量的影响.本文结果可作为一个"基准",用以评价有限元等数值与近似方法的精度.     

功能梯度条共线Griffith裂纹反平面剪切冲击

研究正交各向异性功能梯度条中多个共线Griffith裂纹的反平面剪切冲击问题．材料两个方向的剪切模量假定按比例同时以特定的梯度变化．采用Laplace和Fourier变换及引进位错密度函数将问题化为求解Cauchy奇异积方程，进而化为代数方程数值求解．考查材料非均匀性、正交性和功能梯度条高度对裂尖动态断裂特性的影响．动应力强度因子的数值结果显示：增加剪切模量的梯度和(或)增加垂直于裂纹面方向的剪切模量，可以抑制动应力强度因子的幅度；若功能梯度条较薄，增大条形域的高度也可抑制裂纹扩展．     

纤维增强复合材料疲劳研究现状和发展

纤维增强复合材料的疲劳研究是一个很活跃的领域。本文根据近20年来国内外有关复合材料疲劳研究的论文和报告,综述了当前研究的四个方面问题:①复合材料疲劳性能研究及其影响因素;②疲劳损伤的形成和裂纹扩展;③疲劳损伤模型;④疲劳寿命估算。笔者还对当前复合材料疲劳研究的发展表述了己见。      

STUDY ON TENSILE FAILURE MECHANISM AND HYBRID EFFECT OF INTRAPLY HYBRID COMPOSITES

The random critical-core model is adapted to investigate the tensile failure mech-anism and hybrid effect of unidirectionally arrayed hybrid composites with alternating low andhigh elongation fibers.By utilizing the model in conjunction with the results of the stress con-centration analysis in which the interfacial damage between fiber and matrix is considered,amicroscopic statistical analysis of both the first failure and ultimate failure of hybrids is per-formed.The variations of the first failure strain,the ultimate failure strain and the hybrid effectas the interfacial shear strength are obtained quantitatively.The concept of the hybrid effect forstrains has been clarified.The present results are compared with available experiment data anda reasonable agreement is found between the analytical predictions and the experimental results.     

非理想界面对三相复合材料应力场的影响

对非理想界面的三相复合材料,提出了计算弹性应力场的微观力学模型,在适当的简化假设下,对带界相的颗粒增强和纤维增强复合材料,得到了应力场的计算公式。以剪切载荷为例给出了数值例子。给出的数值结果表明非理想界面对三相复合材料应力场的影响。     

纤维复合材料透射式光弹性方法中的偏振光学问题

本文总结了用显微激光分析仪对一般纤维增强复合材料进行透射式光弹性研究的近期工作。针对纤维复合材料违反传统光弹理论的偏振光学行为,讨论了纤维、基体的双折射率不同以及由纤维与基体的界面两侧出射的光在Airy斑重叠区发生干涉等问题,从更一般的角度探讨了最近的文章中所提出的新光弹公式中所含两个滞后量的存在性。