基于多维度建模的碳/碳软硬混编预制体孔隙分析与单胞模型

为探究碳/碳软硬混编预制体在压实过程初始和最终密实2个阶段中孔隙分布及变化,解决成型后孔隙率无法预测的问题。基于碳/碳软硬混编预制体成型工艺构建一种三维四向孔隙模型,在无压缩载荷和施加压缩载荷2种工况下,从单胞模型的xoy平面和xoz平面2个维度、4个方向观测孔隙;从介观和微观2个尺度研究载荷下纤维形态与截面形状变化对单胞孔隙的影响,建立了纤维尺寸截面变化与孔隙率映射关系,提出影响孔隙率的尺寸系数,使预制体最终孔隙率具有可设计性;通过单胞孔隙模型计算得到预制体在压实阶段最小孔隙率。利用万能拉伸试验机对不同尺寸的预制体进行压实致密实验,得到不同尺寸预制体所受压缩载荷与高度变化曲线,揭示了预制体高度与孔隙率的关系并得到压实致密阶段最小孔隙率。实验结果表明最小孔隙率与理论模型误差小于3%,验证了软硬混编单胞孔隙模型表征预制体孔隙率的正确性。

改进的二维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,利用高阶理论的改进算法,对高精度通用单胞模型的计算方法进行了改进.模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系.改进高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约60%,求解时间大大缩短;并且消除了亚子胞的概念,同时解耦了横向与纵向的方程.该模型的计算结果与试验结果及理论计算结果具有较好的一致性.

改进的三维高精度通用单胞模型

基于复合材料细观力学周期性假设,对高精度通用单胞模型进行了改进,并推广到三维。模型中用界面的平均量代替细观位移函数中解系数,并利用细观单元力学方程的分析与求解,建立了细观平均量与复合材料宏观平均量间的联系.改进的高精度通用单胞模型的求解方程数目减少了大约55%,求解时间缩短,并且消除了亚子胞的概念.算例分析表明该模型的计算结果与细观有限元结果具有较好的一致性.

改进算法的三维通用单胞模型及其应用

基于应力为未知量的二维通用单胞模型改进算法在保证计算精度的前提下,可以提高计算效率,本文把该方法推广到三维,并利用该三维模型计算了颗粒增强复合材料力学性能。计算结果表明,该模型能够较准确的预测颗粒增强复合材料以及复杂随机纤维分配复合材料弹性系数及其对称性,并且随着划分子胞数目的增加,预测的弹性系数对称性越明显;同时,计算得到的剪切模量与E/(2(1+μ))比相对其它弹性系数比的误差大。

用于缎纹机织复合材料力学行为数值模拟的新单胞模型

针对缎纹机织复合材料的数值模拟工作,在保证精度的前提下为提高计算效率,基于5枚正则缎纹机织复合材料的细观结构,构造了一种新的平行四边形单胞模型。利用该模型和传统的矩形单胞模型,采用Linde失效准则,模拟了复合材料在经向拉伸及面内剪切载荷作用下的应力与应变行为。模拟结果表明,2种单胞模型的计算结果一致,与实验值吻合较好,但新模型相比传统模型的建模工作量减少了近80%,计算效率提高近90%,是一种更为合理、高效的建模分析方法。此外,该建模分析方法还可用于其他正则缎纹机织复合材料的优化设计及力学性能分析。

三维正交机织圆管织物的试织及其单胞模型

探讨三维正交机织圆管织物单胞模型的建立方法。通过分析三维正交机织圆管织物经向、纬向和法向断面显微照片,建立了织物细观单胞模型,利用几何模型公式推导建立了织造工艺参数与几何结构特征参数之间的理论关系;计算了每层经纱的厚度、织物层数、织物厚度以及纤维体积含量,并与织物参数实际值进行了对比。结果表明:计算结果与实际值间有良好的一致性。认为:所建三维正交机织圆管织物单胞模型较为合理、有效。

基于单胞模型镍基单晶高温合金低周疲劳寿命的预测

基于镍基单晶高温合金的微观尺度结构特征,建立了γ/γ′双相单胞有限元模型,并基于能量耗散理论,引入统一表征非对称载荷循环特性和拉/扭多轴效应的k参量,以循环塑性应变能作为损伤参量,建立了镍基单晶高温合金低周疲劳寿命预测模型;分别利用宏观有限元模型和γ/γ′双相单胞微观有限元模型对[001]取向的DD3、PWA1480和CMSX-2镍基单晶高温合金的单轴、多轴低周疲劳试验过程进行数值模拟。结果表明:微观单胞有限元模型反映了试验合金的微观结构特性,其预测精度明显优于宏观有限元模型的;上述3种合金几乎所有的试验数据分别落在1.3,2.0和2.0倍偏差分布带内。

基于内聚力失效微观单胞模型的树脂砂拉伸性能的数值研究

原砂粒度及分布、树脂膜厚度和空隙分布构成树脂砂微细观结构特征决定着树脂砂宏观力学行为。针对原砂/树脂间弱界面脱粘与树脂基体失效这两种失效模式,构建了基于断裂力学微细观单胞模型,研究了树脂砂微观结构的失效/断裂演化机制,以及3类微观结构(即:树脂包覆层厚度,砂粒直径和粒径级配)对于树脂砂宏观力学行为的影响。计算结果表明,所构建的数值模型能够考虑裂纹尖端的应力集中以及砂粒弧面的几何效应,具备描述在拉伸载荷下树脂砂界面损伤/界面裂纹扩展以及树脂包覆层的内聚失效行为的能力,为树脂砂失效断裂机理的研究提供了一种更加直接有效的工具;微细观结构对树脂砂拉伸力学性能影响研究表明,树脂包覆层厚度、砂粒直径和粒径级配对树脂砂的拉伸强度、比强度、拉伸刚度以及极限拉伸变形量有着不同程度的影响。

基于单胞模型的Kevlar织物高速冲击数值仿真方法研究

针对航空发动机软壁包容机匣用的Kevlar49机织织物,基于Ivanov提出的单胞模型,采用三元件粘弹性本构模型描述纱线应变率相关的力学特性,建立了Kevlar49织物高速冲击数值仿真模型;通过对单个单元拉伸进行数值仿真获得Kevlar织物的应力应变响应;对钢球撞击四边固支的单层织物开展了数值仿真计算。结果表明:所建立的基于单胞结构的数值仿真方法既能描述织物的宏观力学特性,又可反映出撞击过程中纱线的相互运动;单元拉伸仿真获得的拉伸应力应变响应与试验结果一致;Kevlar织物在钢球下的冲击响应与法向变形与纱线细观有限元模型结果一致,验证了发展的基于单胞模型的数值仿真方法的有效性。

三维机织复合材料单胞模型各向异性的有限元分析

使用三维绘图软件Pro/E绘制出三维浅交弯联机织复合材料数字化结构模型,借助大型有限元分析软件ANSYS模拟单胞模型承受不同方向压缩载荷作用下的力学性能。探究在不同方向的压缩载荷作用下复合材料单胞模型的应力分布情况,并借此分析复合材料单胞模型的各向性能;以承受X方向压缩载荷的单胞模型为例,分析复合材料中纤维与树脂的受力情况。结果表明:三维机织复合材料受到压缩载荷时,表现出明显的各向异性,表现为X方向压缩性能最好,Z方向压缩性能最差;纤维作为主要承载体,承担较多载荷作用,树脂作为次要承载体,承担较少载荷作用。

基于细观单胞模型镀镍碳纤维丝束力学性能模拟分析

为了探究镀镍碳纤维在大变形条件下的整体力学性能表现,采用细观力学性能单胞模型模拟与实验相结合的方法研究了镀镍碳纤维沿纤维方向的力学性能和拉伸损伤的演化。首先在万能试验机上对镀镍碳纤维丝束进行拉伸实验;其次通过界面内聚力损伤本构方程建立细观单胞模型,对镀镍碳纤维仿真拉伸。结果表明:镀镍碳纤维拉伸实验的最大应力为3242.17 MPa,仿真拉伸的最大应力为3077.65 MPa,验证了所建模型的正确性;对比分析实验与仿真的相关力学性能数据,实验与仿真得到的镀镍碳纤维的应力-应变曲线较为吻合,实验值与模拟值的相对误差只有5.3%;在拉伸过程中,镀镍碳纤维损伤开始和最终分离失效的部位是碳纤维和金属镍的结合部位,碳纤维承载了大部分的拉伸应力,且大部分应力集中在碳纤维与基体镍的接触界面单元上。

考虑界面层影响的三维机织复合材料单胞模型研究

三维机织复合材料具有较高的面外性能和抗冲击性能,已经被应用于航空发动机的风扇叶片和包容机匣。三维机织复合材料的破坏通常由纤维和基体间的界面开裂起始扩展到基体开裂,最后导致纤维失效。要模拟三维机织结构的真实损伤失效过程,必须考虑界面层的影响。常见的三维机织结构模拟方法把界面层的性能作为基体性能的一部分作均一化考虑,通过反向拟合实验数据来确定基体与界面层的平均性能。该方法的主要不足在于不同的机织结构拟合出的平均基体和界面层性能相差较大,无法用统一的材料参数比较准确地预测不同机织结构的失效模式和力学性能,预测能力有限。为更好地模拟界面失效的影响,有些研究在纤维束和基体之间手动引入一定厚度的界面层单元,但界面层单元的厚度牺牲了纤维的直径,且为连接纤维和基体相邻表面的不同网格,界面层单元需要很密集的网格,大大降低了计算效率。本研究通过自主开发的工具软件在纤维束和基体之间自动引入一层零厚度的界面单元,可以更真实地模拟三维机织结构的界面层破坏模式和对整体失效的影响。本文介绍了新方法的建模思路并研究了有限厚度界面层和零厚度界面层中的参数变化对预测结果的影响。研究了不同界面处理方法对单胞性能预测结果的影响,比较了不同处理方法的优缺点。

三维编织复合材料管件单胞模型和轴向动态压缩强度优化设计

研究三维纺织结构复合材料，包括四步法三维编织复合材料的单胞刚度矩阵、临界失效面积破坏准则和在冲击加载下的能量吸收，基于各种单胞结构提出三维纺织结构复合材料的动态强度。内容包括：①制备四步法三维编织、三维正交机织、

三维正交机织复合材料的单胞模型及应用

根据三维正交机织复合材料的结构特点,在假设纤维束横截面为矩形的基础上建立一种单胞模型,该模型由3组互相正交的纤维与基体组成。首先利用这一模型,推导出纤维体积分数与纤维粗度、机织密度等织物参数的关系式,通过测量单胞单元的单层厚度得到纤维体积分数,计算值和实验值较为吻合。然后在假定纤维和基体均为线弹性材料的基础上,利用材料力学方法推导出了3个正交方向的杨氏模量表达式,该表达式简单明了,给出了三维正交机织复合材料杨氏模量与纤维和基体的杨氏模量以及纤维体积分数间的关系,算例的计算结果与实验值有良好的一致性,这说明所建立的单胞模型具有合理性。

弱界面黏结通用单胞模型理论及应用

将通用单胞模型与弱界面分离模型结合.首先推导了增量型通用单胞模型计算公式,然后采用界面位移公式对平均位移连续条件进行改造,建立子胞平均应变增量和宏观应变增量的函数关系.应用子胞增量本构方程得到子胞平均应力增量表达式,采用均匀化方法获得宏观应力增量表达式.最后采用渐进适应界面模型模拟了长纤维复合材料的横向拉伸过程.算例分析表明,将界面分离模型和通用单胞模型结合能较好地模拟复合材料在拉伸载荷下的宏观响应.

考虑单向复合材料复杂微观结构的细化单胞模型

通用单胞模型常被应用在复合材料细观力学分析上。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。该文对其改进,建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。利用该模型研究复杂的微观结构包括纤维截面形状/排列方式,界面相材料属性/几何厚度,夹杂/空隙对单向纤维复合材料宏观弹性常数的影响。通过与其他研究方法和试验数据对比证实了该预测模型具有更高的计算效率,计算精度和更广泛的普适性。该文模型子胞划分更细致,克服了原始通用单胞模型无法分析复杂微观结构的不足。有望将损伤力学引入该模型中建立一个有力的分析工具,来进行复合材料结构宏/细观多尺度损伤力学分析。

镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳单胞模型

在680和850℃下对DD3镍基单晶合金进行多轴非比例加载低周疲劳试验,结果表明等效应变范围△ε_e、试验温度、等效应力范围△σ_e对单晶合金的低周疲劳寿命有显著影响。基于能量耗散理论,引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响,构造循环塑性应变能作为损伤参量,建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之间呈幂函数关系。根据镍基单晶合金的微观尺度结构特征.建立γ/γ′双相单胞有限元模型,进行多轴非比例循环加载应力应变数值模拟。根据宏观有限元模型和γ/γ′双相单胞微观有限元模型的计算结果,以及镍基单晶合金680和850℃低周疲劳试验数据,对疲劳寿命模型进行多元线性回归分析,结果表明微观单胞有限元模型的分析精度比宏观有限元模型显著提高,两种温度下的试验数据分别落在1.6倍和2.0倍偏差分布带内。

一种改进的三维四向编织复合材料单胞模型及宏观弹性常数预测方法

提出了一种考虑打紧工艺导致纤维束截面形状沿其轨迹方向连续变化的三维四向编织复合材料改进单胞模型,并用于宏观弹性常数预测方法。首先,基于编织工艺过程分析,确定了单胞内部的纤维束布局形式;然后,从几何上推导了纤维束受挤压部位的位置坐标,并假设纤维束在受挤压前截面为圆形,受挤压部位发生圆形到椭圆的过渡变化,导致纤维轨迹产生弯曲,建立了纤维束截面为圆形和椭圆连续变化的改进单胞模型。通过该模型推导单胞编织参数和几何尺寸的数学关系,由此得出的几何特征数据与试件实测数据较为吻合,花节长度的预测值相对误差小于4%,相比于不考虑纤维束挤压变形的单胞模型更接近实际情况。最后,基于该改进的单胞模型,预测了三维四向编织复合材料的宏观弹性常数,并进一步研究了编织角和纤维体积分数对弹性常数的影响规律。

基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法

通用单胞模型常被应用于复合材料细观力学分析。但原始的通用单胞模型存在求解量大、计算效率低的问题。本文中对其改进,建立了以子胞界面细观应力为未知量的细化单胞模型。该模型可以充分考虑纤维、基体和界面相等细观组分,并实现单向板的宏-细观多尺度力学分析。通过将组分材料失效判据引入到模型中,再与经典层合理论相结合,提出了一种基于细化单胞模型的复合材料层合板强度预报方法,并给出了基于试验数据的强度谱定量评测方法。通过与世界失效分析习题的失效理论和试验数据进行对比,证明本文的预报方法具有很高的计算精度和广泛的普适性。

弱界面黏结通用单胞模型数值分析

为考查通用单胞模型和弱界面分离模型模拟复合材料界面脱黏的有效性,考虑了柔性界面,常响应界面和渐进适应界面三种不同的界面分离模型,并分析了界面对材料性能的影响.计算结果表明,将界面分离模型集成到通用单胞模型中,增强了通用单胞模型的适用范围和对复合材料力学响应特性的模拟分析能力.