基于率相关改进桥联模型的CFRP材料动态力学性能研究

桥联模型在预测CFRP材料静态力学性能上具有较高的精度,但目前鲜有基于桥联模型描述CFRP材料动态力学性能的报道。基于此,采用考虑应变率效应的本构方程与强度准则改进桥联模型。利用文献实验数据对改进后的模型进行了确认,针对侵彻弹使用环境,设计制备了CFRP层合结构并进行SHPB动态实验。理论预估模量与实验结果基本一致,理论强度值高于实验值约7%,由此校验了相关改进桥联模型在动载环境下的适用性。结合课题组已有的CFRP壳体侵彻试验结果,进一步验证了该理论模型可用于CFRP材料在冲击载荷下的性能预测。进一步的试验结果细观分析和数值模拟研究表明,X方向试样的动态破坏模式以层间分层为主,而Y方向则以纤维的压缩破坏与基体的剪切破坏为主。为CFRP材料用于抗冲击等动态载荷下的力学行为预测提供了一种可行的分析手段。

基于桥联模型预测层合板分层萌生载荷

层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起,其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此,通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷,通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场,沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性,之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力,并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷,与实验结果吻合良好;本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。

基于桥联模型参数反演的复合材料力学性能预测

复合材料的性能参数是结构设计计算的关键。在实际工程中厂商提供的数据资料往往不全,直接影响结构分析设计的精度。因此,本文基于桥联模型提出了在有部分单向复合材料和纤维或基体数据的前提下,反演计算其余关键参数的方法。并进一步将该方法应用于T700/Epoxy单向复合材料偏轴拉伸强度的预测中,与实验结果进行了对比分析。研究表明所研究的方法可以利用有限信息反演计算出结构计算所需要的材料性能数据,在T700/Epoxy单向板的预测中,10°、15°、60°、75°、90°理论与实验误差在10%以内,预测精度较高。本文提出的方法有助于提高复合材料结构的设计效率,减少实验成本。

应用桥联模型预测复合材料吸湿老化剩余强度

采用试验与理论相结合的方法,研究了玻璃纤维/环氧树脂复合材料的吸湿老化剩余强度,测试了基体的吸湿性能,对老化前后基体、纤维及其复合材料的拉伸性能进行了试验研究。根据纤维和基体性能测试数据,应用桥联模型计算了复合材料的吸湿老化剩余强度,计算结果与试验结果一致。结果显示:在小吸湿率条件下,利用桥联模型能够准确预测复合材料的破坏演化规律及其最大剩余强度。当主承力层破坏由纤维控制时,由湿老化引起的纤维强度的下降直接导致复合材料最大拉伸强度的下降;当破坏由基体控制时,影响复合材料吸湿剩余强度的主要因素是基体硬化及强度的下降。较小吸湿率对纤维与基体的界面粘结强度影响有限,界面破坏不是层合板破坏的主要因素。

基于桥联模型的高可靠计算机设计

机载计算机的任务可靠性对飞机飞行安全至关重要,而提高任务可靠性的一个有效途径就是进行余度设计。文章从研究两种常用的双余度容错模型出发,将桥联模型应用于机载计算机的双余度设计。通过对工作模型的故障容错机制的分析,证明该双余度设计可有效提高机载计算机的任务可靠性,具备一定的工程实用价值。

基于桥联模型的2-2磁电复合材料的性能预测

本文采用一种称为桥联模型的细观力学模型来评估2-2磁电复合材料的有效性能系数,分别是有效刚度系数、磁电耦合系数、压电系数、压磁系数、介电常数和磁导率.本方法用一个矩阵将压电相和磁致伸缩相的应变场、电场、磁场进行连接,这个矩阵被称为桥联矩阵.通过桥联矩阵的定义可以定性和定量地认识在一定外载情况下各组分相之间的相互作用.该方法是首次将桥联矩阵用于预测2-2连接型复合材料的有效系数.

桥联理论研究的最新进展

欲根据组分材料——纤维和基体性能参数预报复合材料的强度,必须解决3个方面的问题.首先,必须准确计算出纤维和基体中的内应力;其次,必须基于这些内应力,建立起复合材料的有效破坏判据,即细观力学强度理论;最后,必须根据独立测试的基体性能,准确定义其现场强度输入数据,因为后者无法测量.复合材料强度预报之所以困难,在于所涉及的每一个问题都极具挑战.由黄争鸣创建和发展的桥联理论,系统给出了这3方面问题的有效解决方案.该文简要介绍这些解决方案,包括桥联理论的最新进展及有待进一步研究的课题.

小编织角三维编织复合材料拉伸强度模型

采用离散化方法,基于等应变及等应力混合平均思想,结合桥联模型,建立了四步法小编织角三维四向矩形编织复合材料的拉伸强度模型。该模型不仅可以获得材料的等效弹性性能,而且能直接得到各组分材料(纤维束中纤维和基体、纤维束外基体)的细观应力分布,并基于纤维和基体失效准则,揭示了材料在单向拉伸载荷作用下的失效机理并预报了材料拉伸强度。数值分析结果与实验数据基本吻合,证明了该模型的有效性,经讨论材料主要工艺参数对拉伸强度和应力分布的影响,得到了一些有参考价值的结论。

激光-机械载荷联合作用下复合材料层合板的破坏规律分析

为了从细观尺度研究激光-机械载荷联合作用下复合材料层合板的渐进式破坏规律,根据激光对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的一维烧蚀模型改进了桥联模型,并应用改进的桥联模型计算了层合板在不同激光强度、辐照时间下的渐进式拉伸破坏强度,分析了激光辐照强度、辐照时间对复合材料层合板拉伸破坏强度的影响,揭示了激光-机械载荷联合作用下复合材料层合板的细观破坏机理。算例表明:改进的桥联模型能够预测激光-机械载荷联合作用下层合板的渐进式破坏规律及其最大拉伸强度,随着激光辐照时间的增加,复合材料层合板所能承受的最大拉力逐渐减小,下降速率与激光强度相关。

缝合复合材料层板三维纤维弯曲模型及压缩强度预报

提出了三维纤维弯曲模型,基于有限元法和周期性边界条件建立了缝合层板压缩强度分析方法,采用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展并获得压缩强度,预报结果与试验吻合较好。详细探讨了缝合参数对层合板压缩强度的影响规律,结果表明:缝合方向与表面纤维方向一致时,较小的缝合针距和行距、较大的缝合线半径对压缩强度较为有利;缝合方向与表面纤维方向垂直时,较小的缝合针距和缝合线半径、较大的缝合行距对压缩强度较为有利。

面向任务的有人机/无人机协同对地攻击概率模型

有人机/无人机协同对地攻击是未来空对地打击的主要作战样式,如何评估其协同作战的效能是军地双方共同面对的重要课题。首先根据完成对地攻击任务的4个环节建立了对地攻击的总概率模型;然后基于桥联模型建立了各个环节的概率模型;最后给出了一架有人机协同两架无人机对地攻击的算例,并对模型反算、协同与非协同对比以及多波次攻击等问题进行了讨论和分析,验证了模型良好可用性和广泛适用性。

缝合复合材料层板面内局部纤维弯曲模型及剪切强度预报

提出了面内局部纤维弯曲模型,基于有限元法和周期性边界条件建立了缝合层板面内剪切强度分析方法,采用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展并获得面内剪切强度,预报结果与试验吻合较好,探讨了缝合参数对层合板面内剪切强度的影响规律,结果表明缝合削弱了层合板的面内剪切强度,缝合针距和行距越大对面内剪切强度越有利,较细的缝合线对面内剪切强度有利.

基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力,将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、层厚和铺层数,就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置,为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。以一种20 kW风机叶片为例,用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计,提高了叶片的强度和刚度,有效降低了叶片的重量。本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。

细观力学方法预测单向复合材料的宏观弹性模量

基于细观力学预测复合材料宏观弹性模量的两种方法,以单向复合材料为研究对象,从理论上推导了复合材料三维桥联模型公式,并利用CAE软件M sc.Patran/N astran建立了RVE模型,进行了有限元模拟计算。两种方法计算的结果与实验均有较好的一致性,表明两种方法都是能够较好计算单向复合材料的宏观弹性模量。

自润滑关节轴承衬垫弹性参数的计算

为准确预测自润滑关节轴承衬垫的弹性参数,结合衬垫的压紧预处理过程,建立了修正的衬垫特征体元(RVE)细观几何模型。结合桥联理论建立了相应的轴承衬垫弹性性能分析模型。用解析法分别计算了平纹、斜纹、五枚二飞缎纹3种衬垫的弹性参数。通过与其他实验数据比较得知,平纹衬垫、斜纹衬垫、五枚二飞缎纹衬垫弹性参数计算值与实验值最大相对误差分别为4.76%、5.47%、4.39%。对用于计算不同纤维束弹性常数时,若纤维束中纤维和基体沿轴线方向弹性模量比值较大,则桥联参数α取值比β小,所得结果较为准确。若实验条件允许,可通过对纤维束进行简单拉压剪切实验确定α、β值。

横观各向同性基体复合材料的等效弹性常数

细观力学的一个主要研究内容是求复合材料的等效弹性性能.常见的细观力学模型解析公式一般假定基体各向同性且只存在纤维和基体两相材料,实际复合材料的基体和纤维之间往往存在一个横观各向同性的界面相,该三相复合材料的等效性能可由两个两相复合材料性能的组合得到,这就需要求出横观各向同性基体复合材料的等效弹性常数.该文基于两相同心圆柱模型,首先导出了横观各向同性基体内应力与增强纤维内应力之间桥联矩阵的解析公式,与基于数值积分Eshelby张量得到的Mori-Tanaka桥联矩阵相符,再进一步获得了横观各向同性基体复合材料的5个弹性常数显式表达式.文中还给出了扩展的桥联模型显式公式.选用适当的桥联参数,两种模型所得结果十分接近.

基于非线性本构关系的有限元计算复合材料层合板的强度

复合材料的桥联模型本构理论考虑了基体材料的非线性特性。本文根据桥联模型理论编制出用户自定义材料库程序 ,与有限元软件ABAQUS实现接口 ,可以方便地分析计算复合材料层合板结构的非线性响应与极限强度问题。在有限元计算中荷载采用逐步加载的方式施加 ,最终得到复合材料层合板极限破坏时的内力包罗图和应力应变曲线。有限元模拟的结果与桥联模型解析解的结果吻合得很好 ,并且与实验结果相一致。

考虑含界面裂纹应力集中系数的复合材料强度计算

弱界面复合材料受横向拉伸时,界面会在材料整体破坏前发生脱粘,材料横向拉伸强度甚至远低于纯基体的拉伸强度。为了准确地预测弱界面复合材料的偏轴强度,需要考虑和量化纤维埋入及界面脱粘对基体现场强度的影响。定义考虑界面裂纹的应力集中系数,提出一种新的方法用于预测弱界面复合材料在任意角度偏轴拉伸作用下界面脱粘对应的临界外加载荷和材料的整体强度;并对不同种类的复合材料进行算例分析。结果表明:加入新定义的应力集中系数可以明显提高预测的准确性。

纤维增强复合材料宏观性能预测与可靠度分析

针对纤维增强复合材料细观性能的不确定性,采用基于桥联模型的Monte-Carlo方法,预测了复合材料宏观性能分布规律,并从宏、细观两个角度计算了四边简支复合材料层合板的可靠度。研究结果表明,复合材料宏观弹性模量、剪切模量服从正态分布,拉伸强度服从威布尔分布。利用细观和宏观参数计算得到的复合材料层合板可靠度结果趋于一致,表明直接利用细观参数计算复合材料可靠度是可行的。

机载机电管理计算机双余度设计

机载机电管理计算机的任务可靠性对飞机飞行安全至关重要,而提高任务可靠性的一个有效途径就是进行余度设计.本文从研究两种常用的双余度容错模型出发,将桥联模型应用于机电管理计算机的双余度设计.通过对工作模型的故障容错机制的分析,证明该双余度设计可有效提高机电管理计算机的任务可靠性,具备一定的工程实用价值.