基于Python-Abaqus复合材料代表性体积元的数值模型

代表性体积元法是研究复合材料这类具有多尺度、离散分布多相体的有效手段。本文考虑复合材料增强体几何离散分布特征,通过引入增强体的离散分布函数,应用Python语言实现了Abaqus的二次开发,建立了长纤维增强结构复合材料代表性体积元的参数化自动生成方法。结果表明:(1)应用Python-Abaqus建立复合材料RVE随机特征模型是可行的;(2)该方法生成的模型纤维体积分数达65%,满足一般工艺的要求;(3)应用移动窗法给出代表性体积元的尺寸,体积元内应力的分布特征与一般合理预计是相符的。该研究为多尺度复合材料微结构提供了一种分析方法,可应用于复合材料微结构增效设计。

基于径向积分边界元法的周期性复合材料面内等效热弹性参数分析方法

具有人工设计结构的多材料夹杂的复合材料不仅具有可编辑的弹性模量和泊松比,还可以实现热膨胀系数的调控.这些复合材料的等效热弹性参数与其微观结构和材料分布密切相关.文章提出了一种基于径向积分边界元法的周期性复合材料的均匀化热弹性参数的计算方法.该方法基于代表性体积元均匀化方法建立材料的微观结构应力、应变与宏观等效热弹性参数之间的关联.同时,采用径向积分边界元法计算周期变形条件下代表性体积元的应力和应变场.该方法无需内部网格和域积分,仅依赖于边界的位移和面力等信息即可获得材料的等效热弹性参数,具有容易实现参数化建模、容易考虑细小结构特征等优势.另外,在角点处采用非连续元处理,大大简化了周期性边界条件的施加.针对复合材料梁的弯曲问题,通过与直接有限元模拟的结果进行对比,验证了该方法的有效性.然后,还采用该方法对网状复合超材料的热膨胀系数进行了分析.结果表明,通过调整结构的尺寸,可实现结构在热载荷下从正膨胀到负膨胀的转变.

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

基于数字图像处理和有限元预测纳米颗粒增强聚合物基复合材料的弹性模量

运用数字图像处理技术,对有机粘土纳米颗粒增强聚丙烯复合材料的微观形貌进行处理,获取有机粘土纳米颗粒的形状及其在聚丙烯基体中的分布情况,进而建立充分反映其微观结构的二维代表体积元(RVE)模型;对该模型用有限元方法进行拉伸模拟,通过计算模型的平均应力和应变,预测了复合材料的弹性模量,并对其内部的应力和应变分布进行了分析。结果表明:弹性模量的计算结果与试验结果差异较小,验证了借助数字图像处理和有限元分析技术预测纳米颗粒增强聚合物基复合材料弹性模量是可行的。

3-3型压电复合材料的有限元模型及材料参数对其性能的影响

根据均匀场理论分析3 3型压电复合材料代表体积胞元, 通过罚函数方法引入周期性边界条件, 建立了3 3型压电复合材料的有限元模型。数值计算结果与已有实验结果基本一致, 验证了模型的合理性, 并与解析解进行了对比, 表明该有限元模型能更精确地描述3 3型复合材料的有效性能常数。用所建模型分析了基体相体积分数、复合材料基体泊松比、弹性模量和复合材料基体分布形状等参数对静水压压电常数值和静水压灵敏值的影响。

非协调元在复合材料安定下限分析中的应用

采用应力函数法,结合均匀化理论和应变法,在细观层次上研究了复合材料的极限和安定分析,获取复合材料代表性体积元在载荷加载历史未知下的容许承载域。利用8节点非协调等参元离散结构,获取弹性应力场和自平衡残余应力场,建立复合材料在细观层次上安定下限的优化格式。在满足计算精度的同时,大大降低了优化规模。以周期性纤维增强金属基复合材料为例,验证了该单元在安定下限分析中的有效性和可靠性。

基于Digimat中RVE模型的磁流变弹性体的磁致压缩力学性能的数值模拟

磁流变弹性体的宏观压缩力学性能受其组分材料的体积比、形态和外加磁场等因素的影响。从3方面系统的研究了磁流变弹性体在磁场和压缩条件下的静态磁致力学性能。首先运用Digimat软件中的均匀化方法和RVE研究零磁场条件下的磁流变弹性体力学性能。然后研究了磁场条件下各向同性和各向异性磁流变弹性的磁致力学性能。最后利用实验方法研究磁流变弹性体的力学性能。得到了磁场的施加使得各向同性和颗粒成链磁流变弹性体的压缩模量增大,同时颗粒成链比各向同性磁流变弹性体的磁流变效应更大的结论。

随机多尺度短切碳纤维复合结构模型中RVE尺寸效应和方向模量的均一化响应

采用一种新型的多尺度短切纤维填充树脂均匀化方法,目的在于探寻随机短切纤维离散角度对复合结构方向模量的均一化响应,同时研究卷曲短切碳纤维(CCF)单元在具有代表体积元(RVE)结构中随机分布所引起的复合材料结构性能变化。在均一化方法中使用一种基于高斯定理的RVE结构子域后处理方案,用于提取三维结构的平均应变和应力。利用X射线计算机断层扫描方法确定2阶张量取向角和剪切纤维长度在测试样品中的概率分布信息,设计比较3种尺寸的RVE模型,通过实验和计算研究CCF多尺度复合模型应力影响区衰减长度的影响因素和该均匀化方法引起的带有旋转角度的RVE方向模量均匀化响应。研究结果表明,复合结构的剪切模量比正轴模量相对旋转角度更为敏感,衰减长度与RVE尺寸、单胞结构和纤维扭曲度等因素相关。因此,研究随机短纤维的离散性对宏观复合结构方向模量的设计,铺层角度的优化等领域具有十分重要的应用。

高抗冲聚苯乙烯多处银纹化RVE模拟

通过在代表性体积胞元(RVE)中嵌入内聚力面,建立了基于连续损伤力学的高抗冲聚苯乙烯多处银纹化细观机理模型。采用Quads准则作为内聚力面失效判据,引入材料刚度退化模型,利用非线性有限元方法研究了在单向拉伸载荷下高抗冲聚苯乙烯中银纹的萌生、生长和断裂过程及其规律。数值分析结果与实验中观察到的现象吻合较好,表明了本模型描述的内聚力面模拟银纹化过程的合理性。

基于RVE汽车用TRIP钢变形过程亚稳组织演变分析

针对TRIP钢变形过程中亚稳组织演变进行模拟分析,根据单向拉伸、双相拉伸和平面应变等试验的特点,采用ABAQUS建立有限元模型,基于代表性体积元研究不同变形过程中的应力应变分布、宏观变形行为以及残余奥氏体转变对微观力学行为的影响。结果表明:残余奥氏体转变在双轴拉伸下快于平面应变状态,平面应变状态快于单轴拉伸应变状态;各种应变状态下在小变形区域应力主要集中在初始"硬相"贝氏体上,而随着变形的继续,残余奥氏体将逐渐转变为马氏体;单轴拉伸状态下"软相"铁素体在前期的塑性应变较高,而随着应变量的增大,铁素体发生明显的加工硬化,与贝氏体的强度差减小,应变集中程度降低;双轴拉伸状态下该现象更加明显,没有出现明显的应变集中。

复合导电材料电学性能RVE模拟研究

电学性能是影响复合导电材料综合性能的关键,它直接关系到复合材料功能开发与应用。针对石墨烯/聚氨酯复合材料电学性能分析的复杂性,采用代表体积元法,即RVE法,基于Digimat平台,通过建立分析模型,对复合材料的导电性能进行模拟,并与实验进行比对分析。制备了石墨烯/聚氨酯复合导电材料,在分析复合材料细观结构特征的基础上,利用e-Xstream仿真软件的Digimat-FE模块建立了复合材料的代表体积元普通圆盘模型与带界面圆盘模型,模拟了不同填料添加量时复合材料体积电阻率的变化规律,探索了内含物长径比及界面相关参数对复合材料电阻率的影响,并与实验测试结果进行对比。结果表明:复合材料的电阻率随石墨烯质量分数的增加而减小,线度较好,与实验试样测试数据变化趋势和变化速率一致;与只使用普通圆盘作为内含物的模型相比,使用带有界面的圆盘模拟结果与实验值更为接近,说明创建的带界面圆盘RVE模型的有效性,可对石墨烯复合材料的导电性能进行模拟和预测。

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法构建

针对复合材料多尺度表征中以细观到宏观力学性能预测为主的问题,发展了包含细观到宏观结构力学性能预测和宏观到细观组分损伤演化表征的纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法。通过确定纤维缠绕复合材料组分本构及力学参数,完成基于细观RFDRVE(Random fiber distributions representative volume element)的单向复合材料力学参数预测,进而实现了纤维缠绕复合材料NOL环的宏观力学性能预测。而后,通过分析NOL环宏观破坏情况,将损伤区域应变加载至RFDRVE,得到NOL环的细观损伤演化情况,并结合扫描电镜观测了细观损伤演化形貌。结果表明,不同缠绕张力下NOL环细观到宏观预测拉伸强度与平均试验拉伸强度的最大误差仅5.08%,且宏观到细观损伤分析能够表征NOL环细观组分上出现的纤维断裂、基体断裂和纤维-基体界面破坏。纤维缠绕复合材料损伤演化多尺度表征方法能实现细观到宏观结构力学性能预测和宏观到细观组分损伤演化表征。

孔隙对TATB基高聚物粘结炸药有效弹性模量的影响

采用代表体积单元(RVE)建模方法,建立了与实际TATB基高聚物粘结炸药(PBX)微观结构近似的有限元计算模型,该模型可以生成炸药颗粒和孔隙随机分布、填充率和孔隙率任意调整的二维RVE。并采用该模型研究了孔隙大小、空间分布和孔隙率对TATB基PBX有效弹性模量的影响。结果表明:粘结剂内孔隙使得TATB基PBX在外载荷作用下易于变形,TATB基PBX的有效弹性模量显著减小,随着孔隙率增加,有效弹性模量呈指数减小;孔隙的空间分布对TATB基PBX有效弹性模量影响较大,当孔隙分布在粘结剂与炸药晶体之间界面时,容易造成粘结界面破裂而导致有效弹性模量显著下降,下降幅度超过50%;但孔隙的大小对TATB基PBX有效弹性模量影响不大。

一种新的纤维增强复合材料细观力学模型

研究了复合材料宏、细观特征之间的联系 ,将宏观复合材料体中的一点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设 ,建立了一种细观力学模型。模型中用高阶多项式函数模拟基体和增强相中细观位移场 ,通过对细观单元力学方程的分析与求解 ,建立了复合材料宏、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型 ,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析 ,而且容易融入常规有限元法中 ,实现对复合材料结构的宏、细观一体化分析。

不同加载速率下木材失效行为的多尺度数值分析

基于云杉微观结构特征,建立代表体积元模型,对顺纹和横纹压缩下云杉大变形行为进行数值模拟,获得材料各向异性和宽平台应力特性。数值模拟涉及准静态、5,50,500 m/s 4种加载速率,结果表明剪切滑移和屈曲塌陷是木材顺纹压缩的主要失效模式;横纹压缩则体现为胞墙褶皱和循序塌陷。加载速率对顺纹压缩影响高于横纹方向加载,高速加载时木材在轴向压缩下呈现花瓣形破坏,而横纹压缩则表现为压缩膨胀断裂;相对于高速加载,低速加载下木材变形表现为更均匀、平稳。

平纹织物复合材料横向力学性能研究

通过对平纹织物复合材料的横向拉压试验,分析了产生各种破坏现象的微观机理。横向压缩过程中,在与水平面成45°方向剪切破坏的同时还出现层间裂纹。由于两个方向上纱线的弯曲程度不同,破坏形式有很大差异,不同自由边处的纱线界面存在不同程度的剪切破坏,并表现出不同的边缘效应。借助显微镜观察和基于代表体积单元的数值模拟对这些现象进行了分析,发现高度不均匀的内部波纹纱线结构在横向压缩下产生的层间剪切应力是出现横向裂纹的主要原因。

微观缩松对蠕铁微观组织和力学性能的影响

微观缩松缺陷的位置分布、体积大小表现出随机性特点,会对材料微观组织和宏观力学性能产生影响.通过微观组织观测,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料微观组织的影响.同时,建立了含微观缩松缺陷的三维代表性体积元模型,通过施加周期性边界条件和拉伸位移载荷,研究了微观缩松对蠕墨铸铁材料宏观力学性能的影响.结果表明,蠕铁材料微观缩松缺陷周围组织中含有Ce,Mg元素,表明稀土蠕化剂与所研究的蠕墨铸铁的微观缩松的形成有密切联系,增加了材料内部形成微观缩松的倾向.随着材料内部微观缩松体积分数的增加,材料的宏观等效弹性模量呈线性降低;微观缩松还会造成材料内局部区域的应力集中,易于微小裂纹的萌生及扩展.

纤维增强复合材料涡轮轴结构静强度计算与分析

基于适用于纤维增强复合材料的细观力学代表体积元(RVE)法和材料强度失效参数计算公式,计算体积分数为40%的SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料的力学性能参数和强度失效参数,建立以实际某型号发动机低压涡轮轴为背景,并用SCS-ULTRA纤维增强TC17基复合材料代替原有高温合金材料,应用复合材料宏观强度准则中的蔡—吴张量失效准则,对其进行静强度计算与失效判定,总结作为衡量趋近失效程度的蔡—吴强度指数随轴结构复合材料铺层数的变化规律,同时对铺层总数为27层的轴结构进行给定载荷下的强度计算,得出轴结构内部每一铺层的强度指数及铺层强度指数随铺层位置、45°铺角不同的变化规律,并预测在极限载荷下轴结构铺层首先出现失效的情况。

类桁架夹层板的等效弹性常数研究

从应变能等效出发,将具有周期性分布的夹层板的类桁架夹芯与各向异性连续材料等效,给出了相应的宏观等效弹性常数,进而用有限元方法计算了实际夹层板和等效夹层板的结构响应,用一个算例证明了该文方法的有效性.通过对类桁架夹芯的等效弹性常数的计算,结果表明该文方法可以得到较为准确的等效弹性常数,且较其它类型的均匀化方法大大降低了计算量.