细观力学有限元法预测复合材料宏观有效弹性模量

基于能量等效原理提出了复合材料有效弹性模量的定义 ,并指出了该定义的基础及前提条件。为从理论上计算复合材料宏观有效弹性模量 ,建立了通过细观力学有限元法计算复合材料有效弹性模量的方法。复合材料宏观弹性模量 ,是通过对复合材料细观结构代表性体积元的力学响应的计算来得到 ,在该计算方法中 ,给出了施加简便的边界载荷以及恰当的边界变形约束条件的方法。数值计算结果与部分试验结果具有较好的一致性 。

密肋复合墙体宏观有效弹性模量的细观力学有限元分析

密肋复合墙结构是近年来发展的一种新型建筑结构体系。作为结构的主要承力构件——密肋复合墙体是由密布的钢筋混凝土肋梁、肋柱及嵌固于其中的轻质砌块构成,其材性复杂,弹性常数不易确定。该文提出用细观力学有限元法对密肋复合墙体的弹性阶段进行结构分析,就求解密肋复合墙体宏观有效弹性模量中的若干问题,主要包括代表性体积单元的选取以及所施加边界条件的确定等问题进行了探讨,建立适用于密肋复合墙体的细观力学有限元模型,通过数值模拟与试验结果进行对比分析。研究结果表明:对于密肋复合墙体宏观有效弹性模量的计算,采用细观力学有限元模型比传统的计算模型具有更高的精度和适用性。

密肋复合墙体框格试验及细观力学有限元分析

密肋复合墙结构是近年来发展的一种新型建筑结构体系。作为结构的主要承力构件——密肋复合墙体是由密布的钢筋混凝土肋梁、肋柱及嵌固于其中的轻质砌块构成,其材性复杂,材料力学参数不易确定。为了确定轻质砌块及钢筋混凝土肋对墙体抗震性能的贡献,取出单个框格作为研究对象进行试验研究。在分析试验数据的基础上,提出用细观力学有限元法对密肋复合墙体的框格进行弹塑性结构分析,建立适用于密肋复合墙体的细观力学有限元模型。通过数值模拟与试验结果进行对比分析,结果表明:填充材料强度和混凝土肋的截面特性对框格承载能力和变形性能影响较大。

复合材料横向力学性能细观有限元分析

采用细观力学有限元方法,针对碳纤维增强树脂基复合材料单向板,在考虑基体塑性变形的前提下建立包含增强相、基体和界面相的代表性体积单元模型。采用显式有限元方法计算模型在横向拉伸、压缩载荷下的渐进损伤过程和破坏机理,并分析材料各组分间的相互影响。研究结果表明,该模型预报的横向载荷下的拉伸、压缩强度与试验结果进行对比具有较好的准确性,其横向破坏主要是基体开裂和界面脱粘2种模式。

基于有限元计算细观力学的RVE库的建立与应用

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL(PATRAN command language)实现RVE(repr-esentative volume element)的参数化自动建模,建立RVE库,集成相应的细观力学计算程序,一体化预测复合材料宏观性能。通过工程实例,调用RVE库中的平纹编织复合材料RVE,预测平纹编织C/SiC复合材料的宏观弹性模量,对空天飞机全C/SiC复合材料机身襟翼进行静力有限元计算,实现结构材料一体化设计。

基于有限元计算细观力学的复合材料宏观性能的一体化预测

基于有限元计算细观力学理论,以MSC.PATRAN为平台,利用PCL实现了RVE的参数化自动建模,建立了RVE库。并根据不同的细观力学方法,通过在后台对RVE边界条件的设置及有限元计算,集成了相应的计算程序,从而实现了复合材料宏观性能的一体化预测。最后,以单向复合材料的宏观弹性模量预测为例,展示了一体化预测系统。

基于有限元计算细观力学方法的C/SiC复合材料碳纤维束的就位模量

基于有限元计算细观力学方法(finite element computational micromechanics,FECM),通过对C/Si C复合材料的C纤维束截面的实测,建立了六边形排列的代表特征体元(representative volume element,RVE)三维有限元模型。通过采用具有环向裂纹以及平行裂纹的两种C纤维束RVE有限元模型进行计算和分析,得出C纤维束的就位模量的决定因素包括初始的基体裂纹以及C纤维的就位性能。通过引入裂纹影响的折减系数,以及C纤维就位性能的折减系数,得到了C纤维束的5个就位模量,其中轴向就位模量与试验值十分接近,而其余4个就位模量还有待试验值的检验。

温度载荷对复合材料热力学性能的影响

由于复合材料内部纤维与树脂的热膨胀系数差异很大,尤其是树脂性能对温度载荷较为敏感,服役时复合材料环境的高低温变化将使其热力学性能与常温状态产生较大差异。采用Maxwell本构模型,探讨了温度变化对树脂材料本构关系的影响。假设纤维为稳定材料,即其性能不随温度变化,依据复合材料细观力学理论选择六边形代表体积元为分析对象,建立了复合材料在温度载荷下热力学的本构模型。并分别讨论了温度载荷下复合材料内部纤维体分比和纤维排列方式变化对其热力学性能的影响,实现了热-力耦合作用下复合材料的跨尺度分析。

界面梯度对原位SiC_p/7075Al复合材料力学性能影响的数值分析

应用ABAQUS有限元软件模拟分析了界面模量梯度效应对原位SiC_p/7075Al复合材料力学性能的影响。结果表明,复合材料弹性模量与界面梯度层的最小界面模量有关,其随界面层模量的增大而增大。复合材料的拉伸强度随界面层模量的增大而增大,与复合材料弹性模量随界面模量梯度变化情况一致。

二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究

为了研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料振动特性,建立了宏观等效弹性常数预测方法,并在此基础上开展了复合材料平板件的模态分析及试验验证。首先,根据二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料结构特点,建立了基于3次B样条曲线和正弦曲线的单胞模型;然后,利用细观力学有限元法预测了复合材料的宏观等效弹性常数,弹性模量预测结果与文献试验数据的相对误差小于3%;最后,开展了二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料平板件的锤击法模态测试试验,有限元预测的前五阶模态频率与测试结果相比,相对误差均小于4%。

高温环境下纤维增强复合材料等效参数预测

为提高复合材料热结构动力学建模与动态特性分析效率,从复合材料等效性能物理意义出发,建立了弹性性能与热膨胀系数预测方法:在细观有限元模型基础上,分别施加周期性位移边界条件与温度边界条件,然后根据均匀化方法获得等效力学性能。以复合材料梁、板结构为对象开展仿真研究,通过等效前精细化模型和等效后均质模型热模态分析结果比较,验证预测方法的有效性。此外,研究了不同类型单胞、不同纤维排布方式对复合材料宏观弹性常数、热膨胀系数的影响,结果表明:不同纤维排布方式下,正方形排布纤维束预测结果比六边形排布纤维束预测精度高;同一纤维排布方式下,整个单胞的等效预测精度较缩减后的代表性体积单元(RVE)精度高。

温度对平流层飞艇囊体材料渗漏性能的影响

目的对飞艇囊体材料的渗漏特性进行研究,以预测飞艇设计是否满足需求。方法采用细观力学有限元方法,通过微裂纹密度以及平均裂纹开口大小求解氦气渗漏路径的横截面积,进而预报飞艇囊体的初始渗漏速率,并计算昼夜循环温度下飞艇囊体的渗漏速率及压力变化情况。结果昼夜循环的温度变化导致飞艇内外压差、氦气渗漏速率均发生变化,且均与温度呈正相关。结论该方法能够预报平流层飞艇的极限驻空时长,并为平流层飞艇的设计提供技术支持。

初始缺陷对平纹编织C/SiC复合材料热膨胀系数的影响

基于有限元细观计算力学(FECM)提出了一种获得平纹编织C/Si C复合材料的初始缺陷对其热膨胀系数影响关系的方法。首先通过扫描电镜(SEM)观察将初始缺陷进行分类并利用SEM图对各类初始缺陷的分布特征进行测量和统计,然后依据测量和统计结果建立含初始缺陷的宏观材料代表体积单元(RVE)和纤维束RVE有限元模型,最后采用FECM方法预测含各类初始缺陷宏观材料RVE的热膨胀系数。基于以上方法得到了各类初始缺陷与宏观材料热膨胀系数之间的定量映射关系。

基于RVE库的先进复合材料数据库的构建及应用

针对复合材料的宏观性能的一体化预测,基于有限元计算细观力学,利用Python语言在ABAQUS平台实现了RVE(代表特征体元)的参数化建模,建立了RVE库。基于PHP语言和my SQL设计开发了先进复合材料数据库,并结合相应的细观力学方法和计算程序,得到复合材料宏观性能。对以T300、Si C、Py C为组分的复合材料进行了宏观弹性模量的预测,得到良好的预测结果。结果表明:基于RVE库的先进复合材料数据库的构建,实现了复合材料数据的查询及复合材料RVE模型的快速建立,使得材料性能预测分析和结构分析在同一个平台下融为一体,对于实现结构材料一体化设计具有重要的应用意义。

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型,该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征,模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性,确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式,结合能量法和渐进失效分析方法,利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好,表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。

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。

跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度

为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能,建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞,并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数,得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明:初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束,损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展,最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效;非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值,面内拉伸强度计算值略小于实验值。

纤维丝束带复合材料的有效性能预测与实验测试

依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元(RVE)模型几何结构尺寸,以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法,置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度,置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学(FECM)方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明:各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小,泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知,数值预测结果普遍比实验测试结果偏大,但总体效果较为理想,最大相对误差为6.04%。

Micromechanical characteristics of the asphalt mixture in bending condition

The characteristics of asphalt mixtures are associated with the key features of the mixed material when it is not damaged.Two-dimensional(2D) microstructure images of asphalt mixture bending beam specimen were captured by a CCD camera.After image processing,such as noise elimination,boundary identification,image binarization and vectorization,the images were imported into finite element(FE) software in order to set up the micromechanical finite element(FE) model.The simulation results show that the displacement contours spectrum is not a smooth curve since the mixed material is heterogeneous.Also,the largest strain value exists at the bottom of the specimen between two coarse aggregates,and it is the point where the fracture starts.The stress values of aggregates are larger than those of the asphalt matrix.Different from the strain of asphalt matrix,the strain of aggregates is close to zero because the aggregates have higher capability to resist self-deformation.The difference in deformation between aggregate and asphalt matrix can lead to an interface crack as a final result.All these results can be improved by three-point bending test of asphalt mixture beam.