纳米夹杂复合材料的有效反平面剪切模量研究

基于Gurtin-Murdoch表面/界面理论模型,利用复变函数方法,获得了考虑夹杂界面应力时夹杂/基体/等效介质模型的全场精确解,发展了能够预测纳米夹杂复合材料有效反平面剪切模量的广义自洽方法,给出了复合材料有效反平面剪切模量的封闭形式解.数值结果显示:当夹杂尺寸在纳米量级时,复合材料的有效反平面剪切模量具有尺度相关性,随着夹杂尺寸的增大,论文结果趋近于经典弹性理论的预测值;夹杂尺寸对于有效反平面剪切模量(论文结果)的影响范围要小于其对有效体积模量与剪切模量(各向同性材料)的影响范围;有效反平面剪切模量受夹杂的界面性能和夹杂刚度影响显著.     

考虑损伤界面的多相复合材料总体平均力学性能的预测

在广义自洽有限元迭代法￣［１］的基础上研究了损伤界面对多相复合材料的总体平均横向力学性能的影响。给出了对于不同体分比和损伤界面性质的典型复合材料的数值结果。数值分析表明损伤界面的厚度及其损伤程度对复合材料总体平均横向平面应变体积模量和剪切模量有显著影响。本文还计算了损伤界面区域的局部应力场。     

广义自洽Mori-Tanaka模型及涂层夹杂体复合材料的有效模量

经典广义自洽模型的最大不足是需要确定相材料的位移及应变场,这一过程十分繁杂,而且最后得到的有效剪切模量无法显式表达,难以应用.该文摈弃这一经典做法,而从广义自洽模型的应变等价条件出发,在夹杂应变均匀的近似假定下,将Hill界面条件应用于整个二相体内,从而得到一种可以预报涂层夹杂体复合材料有效模量的广义自洽Mori-Tanaka模型.与已有的实验及理论结果的比较表明,该模型准确可靠,而且有效体积和剪切模量均能显式表达.同时证实,以上的Hill界面条件应用于二相体内相当于Mori-Tanaka平均场近似.     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

纤维增强复合材料圆柱型界面裂纹分析

以裂纹面上的位错函数为未知量将圆柱型界面裂纹问题化成一组奇异积分方程的求解问题．应用Ｍｕｓｋｈｅｌｉｓｈｖｉｌｉ的奇异积分方程理论，分析了圆柱型界面裂纹尖端应力场．针对裂纹尖端分别存在和不存在接触区两种情况，确定了裂纹尖端应力场的奇异性．利用数值方法计算了圆柱型界面裂纹尖端接触区尺寸对剪应力强度因子的影响．     

纤维增强复合材料界面强度的细观测试方法

本文对纤维增强复合材料界面强度细观试验方法的发展及现状进行了评述，分析了各种试验方法的优点和不足。着重对纤维压入试验方法从试验的装置，试件的制备，试验的过程以及试验的理论分析方法等各方面进行了详细介绍。应用纤维压入试验测试了碳纤维增强环氧树脂复合材料的界面强度     

考虑界面行为的SMA纤维复合材料模型

构造了一个考虑部分界面开脱情况下SMA长纤维复合材料的双圆柱模型.在理想界面区域SMA纤维所受的轴力恒定,而在开脱区域则考虑为受线性变化轴力.计算结果表明,开脱区长度及临界界面剪应力只对SMA纤维的相变区有很明显的影响,而对母相及马氏体相的弹性变形区没有影响.这对进一步研究SMA纤维增强复合材料的性能提供理论帮助.     

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。     

涂层/基体体系的界面应力分析

针对热防护涂层的承载特征,建立了涂层、基体体系的平面应变模型.以均匀应变差比拟热膨胀失配,基于最小功原理,推导了完整涂层/基体界面应力的级数解.分析结果表明,在自由端面附近,界面应力集中明显,其峰值达到了与涂层内拉应力相当的量级.涂层膨胀或收缩,界面正应力分别呈现压应力或拉应力状态,界面剪应力也发生方向交变.     

碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面应力传递的研究

基于均匀化理论,建立了碳纳米管增强Nb-Si基复合材料的代表体积元模型,并采用剪切滞后模型对碳纳米管增强Nb-Si基复合材料界面上的应力分布和传递机制进行了研究,探讨了分子间作用力、杨氏模量比β、长径比α、体积分数?等对其应力分布和传递机制的影响。结果表明,复合材料界面应力分布的变化主要集中在碳纳米管的两端,最大的应力都是分布在加载端或拔出端,然后向另一端传递;分子间作用力、杨氏模量比、长径比、体积分数等参数对界面应力的传递均有一定的影响,其中长径比和体积分数的影响最明显,体积分数为0.02时拔出端的界面剪切应力值相对于体积分数为0.0025时增大幅度达到近7倍,而长径比从200减小到50时,其应力传递距离增大了近8倍。     

界面及热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响

论文基于Mori-Tanaka理论,考虑了界面相对超磁致伸缩复合材料的有效性能的影响,得到了具有界面相的超磁致伸缩复合材料的有效性能的一般解析表达.考虑到固化过程中热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响,通过数值计算,给出超磁致伸缩复合材料有效弹性模量、有效磁致伸缩应变及有效热膨胀系数随夹杂物长径比、体分比、界面参数和固化热残余应力的变化特征曲线,数值结果表明:界面和固化热残余应力对于超磁致复合材料有效性能的影响是显著的.     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

FROST RESISTANCE OF POLYVINYL ALCOHOL FIBER REINFORCED CEMENTITIOUS COMPOSITES

This article studies the frost resistance of polyvinyl alcohol (PVA) fiber reinforced cementitious composites. The test samples contain different PVA fiber volume fractions such as 0, 0.5%, 1% and 2%. The freeze-thaw test is carried on in TDR type apparatus. The outward appearance, the weight loss factor and the relative dynamic elastic modulus are analyzed, and conclusions are drawn that PVA fibers can significantly improve the frost resistance of cementitious composites and frost resistance of PVA fiber reinforced cementitious composites with fiber volumetric fraction of 1% is better.     

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。      

碳纤维增强复合材料微观烧蚀行为数值模拟

碳纤维增强复合材料已广泛应用于烧蚀热防护系统中,其微观结构直接影响材料的烧蚀行为,因此材料微观烧蚀机制分析对材料设计和制备具有重要意义.本文采用有限体积法并引入固体相体积分数与界面重构技术,建立了碳纤维增强复合材料微观烧蚀数值模型.利用该微观烧蚀数值模型对碳基体包裹单根碳纤维进行烧蚀模拟,将数值模拟的烧蚀形貌与解析解结果进行对比,验证了数值求解方法的正确性.对单向碳纤维增强复合材料在不同碳纤维倾斜角下的微观烧蚀行为进行了模拟分析,得到了碳纤维倾斜角对微观烧蚀行为的影响规律.研究发现:对于碳纤维的抗氧化性能比基体强的情况,当氧扩散速率远远大于碳氧反应速率时,碳纤维将出现"笋尖"状的烧蚀形貌;当碳氧反应速率远远大于氧扩散速率时,纤维和基体将以相同速率烧蚀.当碳纤维的抗氧化性能比基体强时,纤维倾斜角会对材料微观烧蚀行为产生较大影响;相反,则影响不显著.      

纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳研究进展

纤维增强树脂基复合材料结构在工程应用中常常承受复杂载荷的作用, 从而使材料处于多轴循环应力条件下. 为了更加合理地进行复合材料结构设计, 必须对复合材料多轴疲劳行为进行深入的研究, 建立比较理想的复合材料疲劳寿命预测模型. 首先简单回顾了复合材料单轴疲劳损伤判据及其寿命预测模型, 然后结合作者的研究结果, 总结了近年来国内外纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳理论的研究成果, 对各种失效准则、疲劳寿命预测模型进行了较为深入的分析, 指出了它们各自的特点及其存在的问题, 并对复合材料多轴疲劳理论的研究趋势作出了展望. 最后, 对目前常用的复合材料多轴疲劳实验方法进行了总结, 并指出了各种方法的优缺点及其实验中存在的困难.      

短纤维复合材料应力传递的修正剪滞理论

对短纤维增强金属基复合材料应力传递的传统剪滞理论进行了修正和改进.修正理论中包含了一些在传统剪滞理论中没有很好考虑的因素,包括纤维端部的正应力传递和界面的结合状态.推导得到了描述短纤维复合材料应力传递机制的一些公式.通过与有限元分析得到的应力传递结果比较发现,修正理论对应力传递的描述准确性明显优于传统的剪滞理论.修正是合理而必须的.     

A STUDY OF THE INFLUENCE OF INTERFACIAL DAMAGE ON STRESS CONCENTRATIONS IN INTRAPLY HYBRID COMPOSITES

In the axial tensile failure process of intraply hybrid composites, the breakage of some fibers may lead to interfacial damage, thus directly influencing the local stress concentrations near the sites of breakage. A modified shear-lag model, in which the interfacial damage is considered, is proposed. Based on the model, the influence of interfacial shear strength on the stress concentrations and the lengths of interfacial damage zone is first studied. The present results also provide an important theoretical basis for investigating the failure mechanism and hybrid effects for such kind of composites. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 199902004) and Guangdong Provincial Natural Science Foundation (No. 000391).     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

纤维布抗弯加固梁跨中剥离应力的近似计算

首先综述了纤维复合材料(FRP)抗弯加固梁中防剥离破坏的各种措施，分析了跨中混凝土保护层的剥离破坏机理，提出一个近似计算跨中保护层剥离应力上限的方法，可供防剥离设计参考。