纤维增强陶瓷基复合材料的D失效判据

经典唯象强度理论适用于正交各向异性线弹性体.对于非线性纤维增强复合材料,通过加卸载试验和损伤力学的分析方法,可以得到一种虚拟的线性化应力-应变关系;依据损伤等效假设,针对线性损伤和非线性损伤,对基于应力的经典二次失效准则进行变换,建立了一种基于损伤的强度理论,即"D失效判据",这一强度理论可以作为经典判据的补充和扩展.针对平纹编织C/SiC复合材料的拉/剪组合试验,进行了实例计算,结果表明:利用D失效判据预测的失效包络线比蔡-希尔准则的预测曲线低,而且,失效曲线的形式与材料的损伤演化规律相关.     

含切口损伤复合材料层合板拉伸失效行为研究

对含有不同切口损伤的复合材料层合板试件进行了拉伸试验,采用电阻应变计同步测量切口损伤前缘区域随载荷的变化,测定含切口损伤层合板的剩余强度,并讨论了损伤长度和损伤角度对剩余强度的影响规律.建立含切口损伤复合材料层合板有限元模型,分析了含切口损伤复合材料层合板的拉伸失效行为,计算了含切口损伤复合材料层合板的剩余强度,确定了剩余强度与切口损伤状态的关系.计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

碳纤维增强树脂基复合材料压缩失效机理研究

为分析基体性质和纤维铺设方式对碳纤维树脂基复合材料(CFRP)压缩性能的影响,设计两种基体（耐高温环氧树脂基体和PA6 基体） 和两种碳纤维铺设方式[[45/0/-45/90]s和[45/-45]2s],共4 类盒型碳纤维试件．采用轴向压缩实验,研究低应变速率下碳纤维复合材料的极限载荷、压缩量和刚度等力学性能．研究表明试件的失效形式主要由基体性质决定,损伤区域及裂纹方向主要由碳纤维铺设方式决定．利用X射线显微镜(XRM)对试件典型的损伤区域进行三维扫描,并对扫描图像进行重构与渲染,获得破坏区域的内部损伤细节．根据损伤扫描结果,得到材料内部的损伤类型及破坏程度．归纳所获得的损伤测试特征,分析不同类型试件压缩时的损伤规律与失效机理．     

复合材料层合板弯曲振动模态阻尼计算方法

本文给出了利用复合材料层合薄板试样弯曲振动测得的正轴方向的３个阻尼系数φ１,φ２,φ１２来计算实际的复合材料层合板结构弯曲振动的各阶模态阻尼的方法     

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.      

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征.以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形.提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命Nc三部分组成.给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程.最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性.     

基于单元的子区间摄动有限元方法研究

针对区间相关性导致区间扩张的问题,探讨了区间数之间的相关性并给出了降低区间扩张的子区间摄动方法。文中给出了基于单元的子区间摄动有限元计算公式和子区间划分数目的近似计算公式,同时文中讨论了区间有限元计算精度问题,给出了可提高计算效率的一些措施。对桁架结构和平面应力问题梁结构算例分析结果表明文中方法可以达到一定的计算精度,并且是合理可行的。     

高精度近场动力学方法:一维键型研究

近些年发展起来的近场动力学方法对于模拟复杂的断裂破坏问题具有显著优势.然而,计算精度不高一直是影响该方法进一步发展的瓶颈问题之一.区域积分不精确和键缺失导致的边界效应是降低该方法计算精度的两个主要原因.针对一维键型近场动力学模型,本文通过修正微模量提高区域积分的精度,通过理性构建固定边界和力边界虚拟键改善边界效应,建立...     

互相关DPIV亚像素匹配方法研究

使用传统互相关法对DPIV粒子图像进行粗匹配,取得整像素匹配结果,在此基础上开展亚像素定位方法研究.将最小二乘匹配法应用到DPIV技术中,获得比经典的高斯曲面、二次多项式拟合法更高的估算精度,弱化算法对粗匹配相关测度的依赖性.通过控制初始位置和匹配精度降低最小二乘算法的时间开销.标准图像仿真实验以及在氧化沟模型实验中的成功应用,验证了最小二乘匹配法在DPIV技术中的有效性和可靠性.     

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。     

New criteria for the validity of steady-state upscaling

We present new dimensionless criteria to determine the validity of steady-state upscaling techniques in the limit that capillary (capillary limit, CL) or viscous (viscous limit, VL) forces dominate flow in a simple, layered geological system. We begin by identifying a suit of dimensionless groups which characterize the balance of capillary and viscous forces, then use numerical experiments to determine empirically the threshold values of these dimensionless groups for which each upscaling method is valid. Our criteria capture the effects of capillary trapping and are valid regardless of fluid mobility, wettability, or end-point saturation. They can be used to determine the reservoir conditions for which each upscaling method is valid. Previous studies have used a single dimensionless number to characterize the balance of forces, so have failed to properly identify the range of validity. We apply our new criteria to explain cases when the upscaling methods have been observed to do unexpectedly well or poorly. We also demonstrate that the CL method can be valid for a wider range of reservoir conditions than previously thought, particularly in mixed- and oil-wet systems where capillary trapping is minimal.     

A force-based failure criterion for spot weld design

This paper suggests a very simple, force-based formula that combines four failure modes into one dimensionless equation to govern spot weld failure under general static loading conditions. The four failure modes are shear, rotation, normal and peel. The normal separation mode and the peel mode are corresponding to mode I (opening mode). The tensile/shear mode is mode II (sliding mode), and the in-plane rotation mode is mode III (tearing mode). Test coupons and test fixtures are designed and tested to establish and verify this equation. To further verify this equation, a long difficult to understand automotive spot weld failure problem was studied. Applying finite element-calculated resultant loads to the proposed formula resulted in analytical values that correlated very well with the long time field observed spot weld failures. This analytical prediction reasonably explained the spot weld failure mechanism and provided good design directions to improve the durability of the auto structure.     

纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析

利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性.针对建立的有限元模型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性.在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据.     

Boundary element method for model analysis of 2-D composite structure

The boundary element method is used for the modal analysis of free vibration of 2-D composite structures in this paper. Since the particular solution method is used to treat the terms of body forces (inertial forces) in the equation of motion, only static fundamental solutions are needed in solving the problem. For an isotropic cantilever beam, the numerical results obtained by using the BEM presented in this paper are in good agreement, with, those of using FEM or other BEM, but this BEM can also be used to analyze problems for anisotropic materials. For simply supported composite laminated beams, the comparisons of the numerical reslts obtained by this method with the analytical results obtained by 1-D laminated beam theory indicate that if the ratio of length/thickness is greater than 20, the results of the two methods are in good agreement, but if the ratio of length/thickness is less than 20, big errors will occur for 1-D laminated beam theory.     

Hahn-Tsai复合材料的非线性杂交应力有限元方法

成功建立了Hahn-Tsai复合材料模型的非线性杂交应力有限元方程,采用Newton-Raphson迭代法求解结构的非线性位移方程。在迭代过程中,为了提高计算效率可采用简单迭代法由节点位移求解单元应力场。但是,当载荷增加到一定程度以后,非线性应力场由于循环迭代而无法收敛,显然,一般的加速方法不能解决这种循环迭代的发散问题。因此,本文发展了一种确实有效的非线性应力场迭代新方法,在不增加计算工作量的情况下,不仅极大地提高了收敛速度,而且对于较大载荷也能够很好地收敛,从而解决了大载荷下非线性杂交元方法失败的关键问题。数值算例表明该方法是确实可行的。     

Numerical-experimental method for elastic parameters identification of a composite panel

A hybrid numerical-experimental approach to identify elastic modulus of a textile composite panel using vibration test data is proposed and investigated. Homogenization method is adopted to predict the initial values of elastic parameters of the composite, and parameter identification is transformed to an optimization problem in which the objective function is the minimization of the discrepancies between the experimental and numerical modal data. Case study is conducted employing a woven fabric reinforced composite panel. Three parameters (E₁₁, E₂₂, G₁₂) with higher sensitivities are selected to be identified. It is shown that the elastic parameters can be accurately identified from experimental modal data.     

钢-混凝土组合箱梁梁段有限元法研究

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能;剪应力沿截面横向分布不均匀,造成其弯曲正应力的横向分布呈曲线形状,即剪力滞效应;同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略.根据虚功原理,建立了同时考虑滑移效应、剪力滞及剪切变形效应的组合梁单元刚度矩阵及等效节点力向量,并在此基础上编制了组合梁梁段有限元程序.利用本文程序对现有组合梁试件的混凝土顶板应力、钢梁底板应力、跨中挠度和梁端滑移进行了计算,并将本文计算结果与解析法计算结果及试验结果进行了比较.结果表明,本文计算结果与解析法计算结果及试验结果吻合良好;同时,本文计算结果具有较好的稳定性,验证了本文计算方法的正确性.本文所建立的梁单元刚度矩阵同时考虑了剪切变形、剪力滞及滑移效应的影响,符合工程实际,为有限梁段法分析组合箱梁提供了理论基础.     

Ductile fracture criteria for simulating shear by node separation method

This study is concerned with the mechanics of ductile fracture in bulk metal forming processes by a finite-element analysis and experiments. Developed is a computer program using conventional finite-element method such that the behavior of crack propagation after ductile fracture can be analyzed. The phenomenon of a material separating into two pieces upon shearing and tensile tests has been simulated using the developed computer program. Special attention is focused on the effect of various ductile fracture criteria on crack initiation and propagation during shearing and tensile tests.