编织复合材料弹性性能的细观力学模型

提出了编织复合材料弹性性能分析的细观力学模型，这个力学模型考虑了实际编织结构中的纬向和经向纤维束的曲屈，相邻纤维束之间的间隙和纤维束的横截面尺寸对编织复合材料弹性性能的影响，并探讨了在纤维束间纯树脂区内孔隙的含量和两种叠层结构对材料弹性性能的影响．理论计算结果与实测值的比较，表明所提出的细观力学模型是合理的．根据理论分析的结果，提出了优化单层和叠层编织结构的结构参数选择方法     

颗粒增强复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力－应变场．对旋转体和非旋转体颗粒增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算，数值与实验结果对比表明，该方法是有效的、可靠的．分析了颗粒的排列分布、颗粒取向和颗粒的几何形状对有效模量的影响．数值结果表明，颗粒的排列对有效轴向弹性模量影响较大．颗粒的取向和颗粒的形状对有效性能的影响也是显著的     

高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质

提出了一个细观力学模型,可用于预测高体积含量非线性黏弹复合材料有效性质.该模型基于广义割线模量法、双球法以及Laplace-Carson变换技术.所提出的模型对玻璃微珠填充高密度聚乙烯(GB/HDPE)复合材料的应力应变关系进行了预测,结果与文献实验结果吻合;计算结果还表明在高体积百分比下文中所提出的方法比基于MT方法预测的粘性效应明显减弱;最后还将所提方法与线黏弹框架下的均质化模型做了比较,结果表明GB/HDPE表现出明显的非线性,线黏弹本构无法描述应变率对其力学行为的影响.     

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。     

NiMnGa颗粒/环氧树脂复合材料的力学性能研究

将通过球磨法获得的Ni2MnGa颗粒与双酚A二缩水甘油醚环氧树脂混合均匀并常温固化,制备出相应的复合材料试件;通过拉伸-卸载试验研究了NiMnGa颗粒对树脂基体的增强效果;以试验为基础,从细观力学的角度分析了NiMnGa颗粒对树脂基复合材料弹性特性的影响;采用商用有限元软件Abaqus,对NiMnGa/树脂复合材料单胞模型进行了仿真计算。分析结果表明:随着NiMnGa颗粒体积含量的增加,试件的拉伸模量和剪切模量增大、泊松比减小;随着椭圆NiMnGa颗粒长短半轴比的减小,复合材料纵向泊松比增加、纵向拉伸模量减小,横向拉伸模量呈先减后增的趋势,剪切模量则呈先增后减的趋势。通过对比可知试验值、理论值、有限元模拟值数值相近且变化趋势一致。     

涂层球粒复合材料热弹性的特定性质

在所提出的基体均匀场概念的基础上，导出了涂层球粒增强复合材料等效热弹性性质的精确关系     

多晶铁电材料的有效电弹性能预报

本文利用细观力学方法———Ｅｓｈｅｌｂｙ等效夹杂法和Ｍｏｒｉ Ｔａｎａｋａ的平均场理论,根据铁电材料的微结构特点,建立了一个细观统计模型对多晶铁电材料的有效电弹性能和模量进行分析预报．在本细观统计模型中,不仅考虑到单晶粒的形状影响,而且考虑铁电畴在外场作用下发生极化转动的影响．本文针对ＢａＴｉＯ３铁电陶瓷的有效电弹性能与系数的预报结果与实验观测结果相符     

涂层球粒复合材料热弹性的特定性质

在所提出的基体均匀场概念的基础上，导出了涂层球粒增强复合材料等效热弹性性质的精确关系     

复合材料细观力学的现状和展望

复合材料性能优异、应用广泛、种类繁多、还会有新的发展。复合材料的定义尚未统一,这里指纤维增强塑料(FRP)。 从宏观看,复合材料是各向异性的层合材料。从细观看,复合材料是纤维和基体组成的多相非均质材料。一般认为纤维起主要的承力作用,而基体起保护纤维和传力作用,然而情况并非如此简单。 多数复合材料结构的工程问题,用复合材料宏观力学就能得到基本解决。在对复合     

PVC/纳米Al2O3复合材料的力学性能研究

通过熔融共混方法制备了PVC/纳米Al2O3复合材料,研究了纳米粒子对PVC的增强、增韧效果。采用细观力学方法理论上求解了纳米复合材料的有效弹性模量,比较并分析了试验值和理论计算值的偏差。     

一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法

在最小二乘意义下提出了一种计算复合材料等效弹性性能的有限元方法.这种方法由于考虑了等效弹性张量各分量之间的耦合关系,所求得的等效弹性常数比传统方法更可靠,可适用于求解含任意形状的夹杂和夹杂物问题.通过算例计算了在不同弹性模量对比度下两相复合材料的等效弹性性能,并与相关的理论及数值结果进行了比较,结果表明,利用该方法计算含夹杂复合材料等效弹性常数是可行的.     

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.     

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.     

复合材料周期性线弹性微结构的拓扑优化设计

提出复合材料周期性线弹性微结构拓扑优化设计的模型.模型1设计具有极值弹性特性的复合材料,模型2设计多工况最刚微结构单胞.通过该模型和均匀化技术可以获得优化的微结构单胞,进而改善或者得到最优宏观特性的复合材料.为了便于制造和应用,用胞体材料而不是多相材料来得到复合材料的极值弹性特性和最大刚度.优化结果表明,该模型与数值方法相结合可以有效地实现微结构的拓扑优化设计.     

含柔性涂层的颗粒增强复合材料弹性模量估计

采用线弹簧型弱界面模型来模拟柔性涂层,研究柔性涂层对复合材料宏观弹性模量的影响.首先利用Mori-Tanaka方法和弱界面球形夹杂问题的弹性解,获得单夹杂内部的平均应力和平均应变,进而求得具有柔性涂层的复合材料的宏观弹性模量,并研究界面柔度对复合材料弹性模量的影响.     

EFFECTIVE SPECIFIC HEATS OF MULTI-PHASE THERMOELASTIC COMPOSITES

This paper studies the effective properties of multi-phase thermoelastic composites. Based on the Helmholtz free energy and the Gibbs free energy of individual phases, the effective elastic tensor, thermal-expansion tensor, and specific heats of the multi-phase composites are derived by means of the volume average of free-energies of these phases. Particular emphasis is placed on the derivation of new analytical expressions of effective specific heats at constant-strain and constant-stress situations, in which a modified Eshelby’s micromechanics theory is developed and the interaction between inclusions is considered. As an illustrative example, the analytical expression of the effective specific heat for a three-phase thermoelastic composite is presented.     

EFFECTIVE ELASTIC MODULUS OF BONE-LIKE HIERARCHICAL MATERIALS

A shear-lag model is used to study the mechanical properties of bone-like hierarchical materials.The relationship between the overall effective modulus and the number of hierarchy level is obtained.The result is compared with that based on the tension-shear chain model and finite element simulation,respectively.It is shown that all three models can be used to describe the mechanical behavior of the hierarchical material when the number of hierarchy levels is small.By increasing the number of hierarchy level,the shear-lag result is consistent with the finite element result.However the tension-shear chain model leads to an opposite trend.The transition point position depends on the fraction of hard phase,aspect ratio and modulus ratio of hard phase to soft phase.Further discussion is performed on the flaw tolerance size and strength of hierarchical materials based on the shear-lag analysis.     

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.