三维多向编织复合材料有效弹性模量的细观计算力学分析

编织复合材料性能预报与材料优化设计研究是编织复合材料研制开发的重要环节。本文在已建立的三维多向编织复合材料单胞几何模型的基础上 ,研究建立了含多相介质单元的有限元分析方法。结合实例预报了碳 /环氧四向编织复合材料的有效性能并和实验结果进行了对比。

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。

三维多向编织复合材料非线性本构行为的细观数值模拟

针对三维多向编织复合材料 ,在已建立的单胞几何模型及材料力学性能细观计算力学分析方法的基础上 ,引入 Murakam i的几何损伤理论模拟纤维束的细观损伤行为 ,建立了预报该类材料非线性本构行为数值模拟及细观损伤机理的有限元分析方法。结合实例预报了碳 /环氧四向编织复合材料本构的非线性行为 。

复合材料弹性模量随机计算模型

从纤维在复合材料中排列不规则的事实出发，运用数值模拟的方法初步研究了纤维排列的随机性，并将结果初步应用在复合材料模量的细观力学计算当中，发现纤维随机排列对细观力学研究复合材料的力学性能有较大的影响，表明如何在复合材料细观力学中恰当地考虑纤维随机排列是一个值得研究的问题。

土石混合体损伤开裂计算细观力学探讨

根据土石混合体的地质成因和细观结构特性,将土石混合体视为由块石、土颗粒团块和土石界面组成的三相复合地质材料。提出土石混合体计算细观计算力学概念,指出土石混合体开裂破坏的计算要综合考虑内部粗颗相块石的形态、空间分布、颗粒级配及含石量等结构特性,同时还应考虑细粒相土颗粒集合体结构和强度特性以及土石界面的发育特征。土石混合体破坏的根本原因是由块石与土体的弹性不匹配,土石界面的差异滑动造成的,破坏的实质是内部裂纹的产生、扩展、聚焦和贯通的过程。土石混合体计算细观力学要解决的问题主要是探讨介质内部细观损伤的扩展过程,寻找用于描述裂纹扩展规律的方法手段。探讨土石混合体计算细观力学的研究内容,将连续介质力学、统计损伤力学和计算力学相结合去研究土石混合体的细观尺度的变形、损伤和破坏的过程,以发展较精细的细观本构关系和模拟土石混合体细观破坏的物理机制,可以更清楚地阐明土石混合的损伤开裂机制,对防灾减灾起到一定的指导作用。

混凝土破坏过程的数值模拟

采用梁 颗粒模型BPM2(beam particlemodel)模拟了混凝土在单轴受压状态下的破坏过程·在模型中用3种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种梁单元的力学性质均按Weibull分布随机赋值,以便模拟混凝土细观结构的非均匀性·数值模拟结果显示,混凝土宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、连接的结果,揭示出混凝土破坏形态随材料性质分布的非均匀性变化而不同·

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。

二维任意多边形有限单元

目前常用于单晶体材料的计算细观力学分析方法是将晶体细分成许多三角形或四边形有限元，对于多晶体材料，这方法的计算量之大将难于承受，实验观测表明，多晶体材料中除角点附近局部区域外每个晶体内部的变形、滑移基本上是绶慢变化的，因此可以将每个晶体简化为一个多边形有限单元，晶界简化为界面单元，使计算量大大减少，本文导出一类任意多边形等参有限元格式，并证明这类多边形单元中的任意两个都是相互协调的，无论其边数是否相等，算例表明任意多边形单元是有效可行的．

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。

考虑界面效应的复合泡沫塑料弹性性能数值仿真预测与试验研究

通过对不同空心陶瓷微珠含量的环氧基复合泡沫塑料进行准静态拉伸实验,研究了填充微珠的体积分数对复合泡沫塑料弹性模量和泊松比的影响。基于其细观结构特征,利用三维立方单胞有限元模型模拟了细观应力/应变场;将内聚力单元引入细观有限元模型,以此来模拟空心微珠与基体材料之间界面相的力学行为。将有限元预测结果以及两种传统的细观解析法与实验数据对比,发现基于界面理想粘接假设的有限元模型和传统细观解析法均过高估计了复合泡沫塑料的弹性模量和泊松比;复合泡沫塑料的弹性性能强烈地依赖于界面相的力学性质,只有考虑界面效应的细观有限元模型才能给出较为精确的预测,从而验证了文中细观建模方法的合理性。

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%。