基于Mori-Tanaka方法的功能梯度厚壁圆筒近似热弹性理论解

【目的】功能梯度厚壁圆筒的热弹性问题存在不考虑组分材料微观结构影响,已有文献只给出了基于Mori-Tanaka方法功能梯度厚壁圆筒受力学和热学荷载的数值解,并且只考虑了球形夹杂这一单一夹杂形状的情形。【方法】基于Mori-Tanaka方法对功能梯度厚壁圆筒的热弹性问题进行分析,给出了一种近似热弹性理论解,该理论解不仅与数值解契合度高,而且可以考虑夹杂形状对物理量的影响,最后分析了不同边界条件下夹杂形状对径向位移和各向应力的影响。【结果】结果显示,在两种边界下,夹杂形状对径向位移都有较大的影响;但在温度边界下,夹杂形状对径向应力有较大影响,对轴向应力和周向应力影响较小;在应力边界下,夹杂形状对轴向应力影响较大,对周向应力和径向应力影响较小。

基于Mori-Tanaka有限元法的粘弹复合推进剂非线性界面脱粘

为了研究复合推进剂基体的大应变粘弹性和界面的非线性脱粘,将Mori-Tanaka法和有限元数值求解相结合,提出了一种Mori-Tanaka有限元法。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂夹杂随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值仿真法。最后以某推进剂配方为算例,对两种方法的计算结果了进行比较。结果表明,两种方法结果接近,从而验证了Mori-Tanaka有限元法的有效性,且该方法计算量小,极大的提高了计算效率。两种方法的提出,可以有效的用来分析界面对推进剂力学性能的影响。

改进的Mori-Tanaka法在复合推进剂非线性界面脱粘中的应用

针对复合固体推进剂基体的大变形和界面的脱粘问题,对Mori-Tanaka法进行了改进。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂颗粒随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值方法。最后以某推进剂配方为算例,对2种方法的计算结果进行了比较。结果表明,2种方法结果接近,从而验证了改进的Mori-Tanaka法的有效性,且改进的Mori-Tanaka法计算量小,极大地提高了计算效率。

基于分形理论和Mori-Tanaka方法的颗粒土渗透注浆加固体性能预测方法及应用

在注浆加固工程中,为了避免空间变异性导致的支护结构受力过大而失稳,提出合理的注浆加固体刚度及强度预测方法十分必要.本文利用分形理论描述颗粒土类型的隧道围岩的孔隙特征,基于迂曲度经验公式建立了地层体孔隙率和面孔隙率的转换关系.以体孔隙率为变量,结合Mori-Tanaka方法,提出新的注浆加固体的宏观刚度预测方法.利用能量法求解连通孔隙不同屈曲半波分布形态下的临界载荷作为加固体的单轴抗压强度,从而建立了新的注浆加固体的强度预测理论模型.以玉京山隧道为工程算例,将本文方法在FLAC3D中进行二次开发,通过对不同的地层单元随机生成孔隙率,并利用本文方法计算并赋予地层单元不同的物理力学性质,实现了围岩空间变异性的模拟,数值模拟和现场监测得到的隧道洞身水平收敛的最大绝对误差仅为8 mm.数值模拟结果表明,对玉京山隧道回填区域进行注浆加固可以降低50%~90%的围岩位移,极大地降低围岩不良区域对应的支护结构弯矩,降低支护结构扭矩至0,并将支护结构变形控制在10 mm以内,但注浆加固难以改变灰岩和回填体之间的载荷分配规律.

考虑周期微结构分布特征的Mori-Tanaka方法

利用两点间应变Green函数张量概念所建立的应变场积分方程,推导了两相复合材料中夹杂的应变集中张量。该张量较之传统Mori-Tanaka(MT)法采用的由稀疏法导出的应变集中张量,增加了一个与夹杂体积分数和分布相关的项,并由此发展了考虑周期微结构分布特征的MT法。传统的MT法虽然能很好地预测正六角形分布圆截面纤维增强复合材料等的有效模量,但不能反映正方形分布时的四方对称性特征,本文作者所发展的方法弥补了这方面的不足,并且所预报的有效刚度和柔度仍然保持了原MT方法所具有的自洽特性。最后通过与双周期有限元计算结果的对照验证了本文方法的精度。

基于Mori-Tanaka方法的炭纤维水泥砂浆力学性能研究

运用Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka方法,从细观力学的角度研究炭纤维水泥砂浆复合材料(CFRM)的力学性能,推导出CFRM力学参数表达式。根据CFRM中炭纤维和水泥砂浆的弹性模量和泊松比,分别计算得到炭纤维体积分数为0.3%、0.6%、0.9%时CFRM的力学性能参数值。同时通过实验测得不同炭纤维配比条件下的CFRM力学性能参数值。理论计算与实测的结果对比表明,Mori-Tanaka方法适用于炭纤维含量较低的CFRM复合材料力学性能研究,当炭纤维含量增大时,炭纤维在水泥砂浆中的分布不均匀导致计算结果与实测结果的误差增大。

基于微CT-RVE模型和Mori-Tanaka模型的短切碳纤维增强尼龙力学性能预测方法研究

本文研究了基于微CT图像的纤维增强复合材料代表性体积元模型(CT-RVE)建构方法和性能预测方法。基于四种尺寸的CT-RVE模型对碳纤维增强尼龙(PA66CF)弹性性能开展了预测,并与Mori-Tanaka模型(M-T)预测结果进行了对比。采用注塑成型工艺制备了10wt%纤维含量的PA66CF拉伸样件,使用扫描电子显微镜(SEM)获取样件拉伸断面信息,使用X射线CT断层扫描获取内部微观结构信息,综合运用ImageJ、Photoshop、Mimics、Cero、HyperMesh、ABAQUS等工具,建立了四种尺寸的CT-RVE模型,并与具有相同几何参数的M-T模型在性能预测结果方面进行对比分析。研究结果表明:RVE模型中纤维的随机分布具有规律性,纤维数量与RVE体积呈线性增长关系,纤维取向以X方向为主;CT-RVE模型对弹性性能的预测结果略低于M-T模型,当RVE尺寸为114.4μm×114.4μm×77μm时,CT-RVE模型与M-T模型对弹性性能预测结果相近。本文的研究可为短纤增强复合材料的性能精确预测提供指导。

THE VALIDITY OF THE MODIFIED MORI-TANAKA METHOD FOR COMPOSITES WITH SLIGHTLY WEAKENED INTERFACE

This paper presents a direct Mori-Tanaka approach to calculate the effective moduli of particle-reinforced composites and fiber-reinforced composites with spring-like imperfect interfaces. By a comparison between these results and those obtained from the approximate Mori-Tanaka method developed by Qu for composites with slightly weakened interface, the validity of the Qu's method is revealed.

碳纳米管增强复合材料Timoshenko梁弯曲和屈曲行为分析

考虑碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)的尺度效应,研究宏观尺度下碳纳米管增强复合材料(carbon nanotubes reinforced composites,CNTRCs)梁的弯曲和屈曲行为。在EMT(Eshelby-Mori-Tanaka)方法的基础上,利用非局部理论提出了可表征CNTs尺度效应的非局部EMT本构模型。根据Timoshenko梁理论,采用哈密顿原理得到CNTRCs梁的静力学微分方程和边界条件。求解简支边界条件下CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷,并与文献进行对比验证所建模型和求解方法的正确性。分析了CNTs的尺度效应参数和体积分数以及复合材料梁的长细比等因素对简支CNTRCs梁弯曲响应和极限屈曲载荷的影响规律。结果表明,考虑CNTs的尺度效应会削弱结构等效刚度,且CNTs体积分数和尺度效应参数对大长细比CNTRCs梁的弯曲响应和极限屈曲载荷的影响幅度较大。

冻融循环下混杂纤维再生混凝土抗压强度预测方法

为了研究冻融循环对混杂纤维再生混凝土受压性能的影响,进行钢纤维和聚丙烯纤维再生混凝土的冻融试验,并通过单轴压缩试验研究冻融循环次数和纤维掺量对再生混凝土抗压强度的影响规律。试验结果表明:冻融次数的增加会导致再生混凝土抗压强度和弹性模量逐渐降低,加入纤维可以改善其受压性能。基于含夹杂弹性体内部应变场积分方程,推导了多相复合材料夹杂的变形协调张量,得到预测混杂纤维再生混凝土弹性性能的修正Mori-Tanaka方法,建立了耦合冻融损伤和受力损伤的总损伤表达式,进而提出冻融循环作用下混杂纤维再生混凝土抗压强度预测方法。采用所提出的抗压强度预测方法对冻融循环作用下的纤维再生混凝土受压性能进行了预测,并将预测结果与本文试验值进行对比,结果表明预测结果和试验值吻合较好,拟合优度达到98%以上。因此,所提出的抗压强度预测方法可为混杂纤维再生混凝土在冻融循环条件下的工程应用提供一定的理论依据。

Study on the effective elastic performance of composites containing decagonal symmetric two-dimensional quasicrystal coatings

On account of the Mori-Tanaka approach,the effective elastic performance of composites containing decagonal symmetric two-dimensional(2D)quasicrystal(QC)coatings is studied.Explicit expressions for the effective elastic constants of rare-earth QC reinforced magnesium-based composites are provided.Detailed discussion is presented on the effects of the volume fraction of the inclusions,the aspect ratio of the inclusions,the coating thickness,and the coating material parameters on the effective elastic constants of the composites.The results indicate that considering the coating increases the effective elastic constants of the composites to some extent.

基于细观力学的复合固体推进剂模量预估方法

应用分子动力学方法得到了复合固体推进剂颗粒在基体内随机分布的填充模型。针对推进剂所含颗粒大小不同,采用细观力学有限元法和Mori-Tanaka分析法相结合的方法计算了推进剂的模量,计算所得模量与不同颗粒体积分数推进剂的单向拉伸试验结果比较吻合。此外,该方法可以获得推进剂细观结构应力,从而为推进剂的细观损伤分析奠定基础。

孔隙湿度对混凝土初始弹性模量影响

采用细观力学方法研究湿态混凝土中孔隙及孔隙水对材料初始力学性能的影响.混凝土材料细观孔隙分为活性孔隙和非活性孔隙两类,其中活性孔隙湿态情况下将由孔隙水填充.将非活性孔隙和孔隙水作为两类夹杂,理想无孔隙混凝土作为基体,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了双类夹杂模型.该模型考虑了不同饱和度孔隙水的水化效应和粘滞性对混凝土力学性能的影响.理论结果和试验数据比较表明,该模型可以较为准确地预测孔隙及孔隙水对混凝土弹性模量的影响.

椭球形陶瓷颗粒增强镍基合金复合涂层热膨胀系数预报

陶瓷颗粒增强镍基合金复合涂层在各种高温环境下被大量应用,因此关于此类材料的线热膨胀系数预报与研究是十分重要的。研究把涂层简化为三相模型,碳化铬陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Eshelby-Mori-Tanaka法研究了二相胞元的热失配等效本征应变和平均应变,根据平均应变算出了二相胞元的线膨胀系数,结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有2个独立的热膨胀常数。据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定了复合涂层的平均应变,进而得到复合涂层的热膨胀系数。

沥青混合料粘弹性能微观力学分析

利用Mori-Tanaka等效夹杂微观力学理论研究了沥青混合料的粘弹性能。将沥青混合料看作刚性粗集料颗粒夹杂于粘弹性沥青砂浆基体内的复合材料,对集料夹杂和沥青砂浆基体的本构方程分别进行Laplace变换成弹性问题,在Laplace空间域内应用Mori-Tanaka等效夹杂和宏观平均理论由沥青砂浆粘弹性能推导出了沥青混合料的粘弹性能。结果表明,粗集料颗粒夹杂对粘弹性沥青基体性能具有增强作用,沥青混合料粘弹本构方程可表示为粗集料增强系数与沥青基体粘弹本构方程的乘积形式。利用增强系数可以从性质较均匀的沥青基体粘弹性来预测性能较复杂的沥青混合料的粘弹性。其中增强系数大于1且随粗集料体积分数或沥青基体的泊松比增加而增大,粗集料体积分数对增强系数的增大作用远大于沥青砂浆基体泊松比对其的影响。

丝网印刷柔性薄膜天线力电性能表征

为降低天线结构重量、提高天线与结构一体化效率,制备了一种可卷曲且易与结构共形的柔性薄膜天线.基于天线基本理论和丝网印刷工艺技术设计并制备了薄膜微带准八木天线.将薄膜天线辐射层看作颗粒增强复合材料,利用Mori-Tanaka复合材料细观力学方法预测其有效弹性模量,与拉伸叠加法结果吻合良好.基于内聚力模型,利用ABAQUS有限元分析软件模拟了薄膜天线基体/辐射层在90°剥离条件下的界面剥离过程,揭示了天线基体与辐射层之间界面破坏机理,得到薄膜基体/辐射层的界面剥离强度,通过90°剥离实验验证了内聚力模型的有效性.有限元得到的剥离强度为64N/m,与实测值误差为8.11%,吻合良好.最后,仿真和实验研究了柔性薄膜天线的反射系数和辐射方向图性能,仿真得到的薄膜天线谐振频率为3.02GHz,与实验谐振频率误差为2.37%,且在谐振频率处阻抗匹配良好.结果表明:本文设计制备的柔性薄膜天线具有良好的力学和电磁性能,在航空航天轻量化结构中有广泛的应用前景.

颗粒增强复合材料有效弹性模量的预报

用细观力学的方法对陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行研究,把材料简化为三相模型,陶瓷粒子和基体壳简化为椭球形二相胞元,用Mori-Tanaka法建立二相胞元的刚度预报模型。结果表明,二相胞元为横观各向同性,具有5个独立的弹性常数。据二相胞元方位的随机性,由应力应变换轴公式和物理方程确定复合材料的平均应变,进而得到复合材料的等效弹性模量和等效泊松比以及等效刚度模量的理论计算公式,并通过对所建模型的分析,确定各参量与陶瓷颗粒含量之间的关系。

短纤维增强橡胶密封复合材料纵向拉伸模量的预测方法

建立了含界面相、纤维和基体的短纤维增强橡胶(SFRR)密封复合材料纵向拉伸模量的预测模型,采用Mori-Tanaka方法得到了SFRR的纵向拉伸模量的预测公式,将其计算结果与试验数据进行对比;同时,探讨了纤维体积分数、界面相的厚度和模量对复合材料纵向拉伸模量的影响.结果表明:纵向拉伸模量预测模型的计算值与试验值较吻合,其最大相对误差为11.2%;SFRR的纵向拉伸模量随着纤维体积分数的增加而增大;界面相模量对SFRR纵向拉伸模量的影响显著,当界面相模量小于基体模量时,SFRR的纵向拉伸模量随着界面相厚度的增加而减小;当界面相模量大于基体模量时,SFRR的纵向模量随着界面相厚度的增加而增大.

含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤

研究含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤，推导了以Eshelby－Mori－Tanaka方法求解多相各向异性复合材料等效弹性模量的简便计算公式，针对含三相正交椭球状夹杂的正交各向异性材料，得到了由细观参量（夹杂的形状、方位和体积分数）表示的等效弹性模量的解析表达式．在此基础上，提出了一个宏细观结合的正交各向异性损伤模型，从而建立了以细观量为参量的含损伤材料的应力应变关系．最后，对影响材料损伤的细观结构参数进行了分析．

横向增强芯材的等效弹性模量研究

为研究横向增强芯材的等效弹性模量,首先采用基于Eshelby等效夹杂原理的Mori-Tanaka方法,求解出包含横向增强构件的复合材料夹芯板中芯层的等效弹性模量。同时,采用有限元软件ANSYS对芯材元胞进行数值模拟并计算出等效弹性模量,其与Mori-Tanaka方法的计算结果误差基本在5%以内,验证了Mori-Tana ka方法的准确性。在此前提下,继续研究基体和增强构件的弹性模量及尺寸参数等因素对复合芯材等效弹性模量的影响规律。研究结果表明,Mori-Tanaka方法能够有效地用来进行横向增强芯材的等效处理,具有较高的准确性;基体和增强构件的弹性模量及尺寸对厚度方向的等效杨氏模量和面内泊松比影响显著,而对面内等效杨氏模量和厚度方向的泊松比影响较小。