碳纳米管复合材料的界面剪切应力研究

本论文采用剪切滞后模型,建立了碳纳米管复合材料的代表性体元模型,并且将碳纳米管看做一个有效纤维,模拟分析碳纳米管复合材料的主要形态特性。研究重点主要集中在碳纳米管与基体接触面的剪切应力,假设有效纤维与碳纳米管具有相同的直径和长度,运用应力连续条件和位移连续条件以及相关平衡方程等,推导得出计算所需要的复合材料界面处的切应力表达式,本论文推论得到的结果可以校核碳纳米管复合材料因滑动位移而产生的破坏。

非理想界面正交各向异性层/压电半空间结构中Love波传播特性

研究了正交各向异性层与压电半空间非理想连接时Love波的传播特性。其中,界面条件由剪切滞后模型表征,正交各向异性层表面机械自由。首先,对压电材料和正交各向异性材料的波动方程进行求解,然后利用界面条件和边界条件推导显函形式的频散方程,最后进行数值计算,分析界面性态、压电材料性能和正交各向异性程度对频散特性的影响。分析结果表明:Love波的传播速度随着界面约束强度的降低而减小;当不理想程度较高时,正交各向异性程度和压电材料性能对Love波的传播速度影响不大。

拉应力下碳纳米管增强高分子基复合材料的应力分布

采用基于剪切滞后模型的数值计算和有限元仿真结合的研究方法,通过构建由碳纳米管增强的高分子复合材料的圆柱形代表性体积元模型,分析在一定拉伸应力下不同碳纳米管的层数、长径比、含量以及环氧树脂、尼龙和聚甲基丙烯酸甲酯3种基体材料对碳纳米管内各层应力分布的影响。结果表明:在一定的拉伸应力下,层数和长径比对碳纳米管中各层的应力分布影响很大。碳纳米管的饱和应力值随着层数增加而减小,其值与层数存在一定的相关性,在对碳纳米管本身性能的利用率上,单壁碳纳米管表现最好;长径比的增大能有效提升碳纳米管的有效长度;随着碳纳米管含量的减少,其饱和应力值明显增大,有效长度不断减小;不同的高分子基体材料对碳纳米管的应力分布影响并不明显。

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为。采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象。在弹性—粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究。结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值。并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合。

非理想界面弹性层/压电柱结构中SH波的传播特性

研究了各向同性弹性层与压电柱之间非理想连接时沿周向传播的SH波的频散特性.弹性层表面力学自由;弹性层与压电柱之间应力连续、位移间断.通过求解控制方程,将问题的解用Bessel函数表示,利用界面条件和边界条件得到频散方程,然后对其进行数值求解,分析了界面性态、材料常数和几何尺寸对SH波传播特性的影响.

FRP拉索静力及蠕变性能的多尺度预测

合理而高效的纤维增强复合材料(FRP)拉索性能预测方法可有效解决拉索足尺试验难度大、耗时长等问题。为此,以剪切滞后模型的理念为基础,提出以浸胶纱为基本单元的FRP浸胶纱-单筋-拉索多尺度短期静力与长期蠕变预测模型。相比将纤维单丝作为基本单元的一般模型,该模型具有较高的计算效率,尤其适用于大尺寸FRP拉索的足尺建模分析。以37根4 mm直径单筋的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)拉索作为算例,详细阐述了该模型的建立方法和求解流程,并对静力和蠕变模拟结果进行了分析。其中,模型着重考虑了浸胶纱单元拉伸强度和树脂单元剪切强度的双参数威布尔随机分布、树脂屈服后的界面残余剪应力、浸胶纱单元蠕变断裂寿命模型和树脂基体的长期松弛效应。结果表明:BFRP单筋和拉索静力极限承载力的预测值与试验结果误差均在4%以内,而采用单元平均强度直接换算得到的结果较单筋和拉索预测值分别偏高18.3%和11.3%。在此基础上,模型进一步揭示了由FRP浸胶纱、单筋到拉索的多尺度强度退化规律和拉索内部的短长期损伤演化机理,可为后续拉索性能优化和设计提供支撑。在高应力水平下,较弱单元的提前破坏将直接导致拉索整体过早的失效,进而显著削减整体蠕变寿命;而在低应力水平下,拉索整体的蠕变断裂寿命趋近于浸胶纱单元自身的蠕变寿命。