基于MMF理论的平纹织物复合材料细观强度性能研究

为探究平纹织物复合材料的组分细观强度,笔者基于细观力学失效(micro-mechanics of failure, MMF)理论提出了一种确定平纹织物复合材料细观强度的跨尺度分析方法。建立了单向带复合材料和平纹织物复合材料纤维束的细观尺度代表体积单元有限元模型,并介绍了基于代表体积单元模型的宏-细观应力转换方法;根据单向带复合材料的宏观强度测试结果确定了单向带复合材料的组分细观强度;以单向带复合材料组分细观强度为基础,根据组分强度不变的假设反推了平纹织物复合材料的纤维束强度,并以平纹织物复合材料层板宏观强度试验结果对反推所得的纤维束强度进行了校验与修正;以纤维束强度为基础,结合细观尺度代表体积单元模型,确定了平纹织物复合材料的纤维、基体组分强度。针对T300/环氧复合材料,应用上述方法并结合宏观强度测试,确定了平纹织物复合材料的组分细观强度。研究结果表明所提出的分析方法和计算结果与实验结果较为符合,可应用于实际工程复合材料。

基于MMF理论的碳纤维单向带复合材料细观强度的计算方法

针对单向带复合材料结构的承载能力和损伤失效特点,基于微观力学失效(MMF)理论对单向带复合材料的失效机制及损伤过程进行分析和预测,提出了一种确定单向带复合材料细观强度的跨尺度分析计算方法。以T300碳纤维/环氧树脂单向带复合材料为研究对象,首先建立单向带复合材料的细观尺度代表体积单元有限元模型,并采用应力放大因子方法实现单向带复合材料的宏观应力与细观应力的转换;然后结合单项带复合材料的宏观强度实验结果,设计单向带复合材料细观强度参数的求解流程,确定单向带复合材料的纤维及基体组分的细观强度。对于碳纤维/环氧树脂单向带复合材料,采用跨尺度分析计算方法可以得到碳纤维和环氧树脂基体各关键点所承受应力的极大值,其结果可用于单向带复合材料结构的疲劳强度预测。

颗粒流细观强度参数与岩石断裂韧度之间的关系

为研究岩石颗粒流分析模型中细观强度参数的物理意义,以接触黏结模型(CBM)中等效微梁的模型为基础,通过对2个黏结颗粒的拉伸和剪切状态进行分析,推导岩石颗粒流细观应力和断裂强度因子关系的理论公式,进而建立强度参数与岩石断裂韧度关系的理论模型。分析结果表明,岩石断裂韧度与细观强度呈线性关系。岩石颗粒最小粒径与颗粒半径比均对断裂强度因子有不利影响,且颗粒半径比的影响较大。以重庆地区砂岩为例,给出岩石断裂韧度与颗粒流细观强度之间的定量表达式,结果表明,岩石I型断裂韧度理论计算值范围与实测值较为相符。

颗粒增强脆性基体复合材料的细观强度模型

用细观力学的方法研究颗粒增强脆性基体复合材料的强度和损伤失效,认为复合材料由随机二相胞元和基体构成,分析基体、颗粒中的局部应力场,根据损伤理论分别得到基体和颗粒的损伤等效应力。在界面脱开成为裂纹源并向基体内扩展的情况下,计算出弧形界面裂纹的能量释放率。最后分别提出基体、颗粒和界面的失效强度准则。结果表明,复合材料的强度与二相胞元的方位角、颗粒体积含量、界面脱粘角、颗粒直径有关。

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料Griffith强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明:强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。

含棒状共晶团复合陶瓷细观强度模型研究

以剪滞法为基础推导了棒状共晶团外加远场拉伸应力与共晶团界面极限剪应力、共晶团体积含量、共晶团长径比之间关系的解析表达式,进而得到含棒状共晶团复合材料的拉伸强度与基体极限剪应力之间的理论表达式。计算过程中将共晶团长径比的概率统计分布规律引入到计算模型中,并考虑了棒状共晶团方位的随机分布。定义了共晶团达到最大剪应力的共晶团长度占共晶团整个长度的比值β,当加权平均的β值超过材料的许用值[β]时,材料发生剪切破坏。[β]的取值由材料自身的性质决定,可以通过试验确定。分析了复合材料的[β]的取值与其强度的关系,并在MATLAB中实现了编程计算。

基于微观矿物含量的灰岩细观参数标定研究

随着对岩体力学研究的深入,宏微观岩体力学的研究方法发展迅速。但岩体微观性质改变对引起岩体宏观力学各向异性行为的影响研究却较为缺乏,而在离散元分析方法中,岩体宏观力学行为的准确表征不仅需要合理的细观强度参数,也需要考虑岩体中微观矿物的成分和含量。以灰岩为研究对象,制作灰岩薄片标本,用偏光显微镜观察灰岩样本以确定矿物成分及含量,并以此为依据生成基于矿物含量的离散元模型,以接触软化接触模型模拟矿物间的细观力学行为。分别建立与室内试验对应的单轴压缩模型和巴西劈裂模型,使用试错法不断调整细观强度参数,最终使细观模型表现出的宏观力学性质与实际情况一致。研究结果表明,数值模拟得到的宏观参数与室内试验结果相吻合,说明基于微观矿物含量的岩体离散元模型参数标定方法能够很好地标定出颗粒的细观强度参数,同时细观强度参数又能够很好地表征岩体宏观力学强度,以该参数作为岩体力学响应分析的输入参数,能够更准确认识岩体的力学行为。

钢棒/环氧拔出试件界面端奇异应力场强度表征及其试验测试

传统复合材料界面强度细观试验采用界面端部脱粘时的剪切应力作为界面剪切强度的表征 ,而理论分析表明双材料界面端应力场存在奇异性。在分析拔出试件界面端应力奇异性的基础上 ,对钢棒 /环氧复合材料在宏观尺度进行断裂韧性的试验测试 ,所得结果与压入试件界面端试验结果比较 ,表明不同类型界面端断裂韧性也不相同 。

共晶复相陶瓷细观结构对抗冲击强度的影响（英文）

通过共晶复合陶瓷的细观强度和动态破坏准则建立起微观结构参数与抗冲击强度间的内在关系。首先,根据共晶复合陶瓷的微观特征,用相互作用直推法和有效简化算法获得复合陶瓷的有效应力场。然后,应有等效夹杂法和Griffith微裂纹扩展理论预报了共晶复合陶瓷的细观力学强度。进而,应用统一压剪理论建立冲击区的动态破坏准则。最后,应用与微观结构相关的动态破坏准则建立冲击强度计算模型。定量分析了微观结构参数对冲击强度的影响,结果表明:共晶体间界面缺陷尺寸越小及共晶体刚度越大,抗冲击强度越大。

低速撞击下正交型纤维增强复合材料层板的脱层研究

用不饱和聚脂预浸渍玻璃纤维带制作了几种正交型铺层序列的层板梁试件,并对其在固支条件下进行了横向冲击实验。用嵌入式加速度传感器得到了载荷历史,通过高速摄影机和显微摄像系统从层板侧面观察了脱层现象。根据最大剪应力准则,通过对层板内部剪应力的分布以及不同铺层间三种不同剪切破坏强度的近似分析,解释了首次脱层具体位置和二次脱层现象。试验和分析表明,脱层失稳所对应的脱层阈值载荷与试件的铺层结构有关。但是,对不同铺层结构的试件,发生脱层的0°/90°界面具有相同的细观剪切强度。因此,用细观界面剪切强度来分析和预言试件的脱层失稳更具有一般性。

淤泥质土堤防边坡稳定性硬壳层作用效应分析

为了提高工程进度并保证工程质量,进行了室内土工试验和数值试验研究。依据有限元强度折减理论,提出可用于离散元PFC的细观强度折减法,并分析了堤防边坡的稳定特性,得到了边坡的安全系数。根据工程分层填筑的施工特点,提出了土体复合硬壳层的假设,研究了硬壳层厚度、强度和层数等因素对边坡稳定性和变形特性的影响,硬壳层对提高边坡稳定、改善边坡变形有着重要作用。最后研究了硬壳层对控制边坡坡度的作用,若能形成有效的硬壳层骨架,则能适当提高边坡的坡度,具有一定的工程和经济意义。

Micromechanical Study on Moisture Induced Tensile Strength Reduction of GFRP

The main focus of this paper is to investigate the influence of hygrothermal aging on tensile strength of epoxy resin matrix composites.Firstly,tests of water absorption and moisture induced tensile strength degradation of glass fiber reinforced polymer(GFRP)are conducted.Results show that the moisture absorption behavior of the GFRP follows the Fick’s law,and its tensile strength retention decreases notably in the early hygrothermal aging stage and then gradually approaches a constant.Then,microscale longitudinal and transverse strength prediction models for unidirectional fiber reinforced composites are proposed.They are moisture concentration dependent and reflect the inherent probability of failures of fiber and matrix(or fiber/matrix interface).The moisture diffusing analysis demostrates that the proposed models can predict degradation of tensile strength of epoxy resin matrix composites undergoing different hygrothermal durations.The proposed models are validated by the experiments of hygrothermal residual strength of the GFRP mentioned above.

三维凸型混凝土骨料随机投放算法

为了提供三维混凝土细观强度研究的数值模型,进行了三维混凝土随机骨料的投放算法研究。以体积为标度建立了一般多面体和凸型多面体两种形状骨料的侵入判别准则。并以凸多面体为研究对象建立了凸型骨料的生长模式和骨料"凸性"条件,给出相应的随机投放算法。该算法中,投放骨料初始形状为任意空间八面体,并始终在最长边上不断生长。在整个生长和投放过程中,骨料始终保持"凸"型。投放实例表明,与球形骨料假定建立的数值混凝土模型相比,凸多面体随机骨料模型能够更广泛地模拟混凝土材料结构。简单的算例说明了该模型可用于混凝土不均质性研究。