脆性基体复合材料裂尖邻域夹杂—基体界面脱粘发展的数值模拟

夹杂—基体界面脱粘是脆性基体复合材料在拉伸载荷下的主要损伤机制之一。同时,材料内部裂纹尖端附近区域因应力集中,往往具有相对较高的损伤可能性。文中提出一种以一类包含"非均匀相"的解析胞元为基础的数值方法,以考察脆性基体复合材料内部裂尖临域夹杂脱粘的发展以及此过程中应力强度因子的变化。该方法分别应用含夹杂与含裂尖的解析胞元,以精确描述夹杂—基体界面与裂纹尖端附近的高梯度场函数,并利用Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生。应用此方法可方便地建立复合材料内部裂尖附近细观结构的有限元模型,预测各夹杂依次发生脱粘的过程,并获得夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子随载荷的发展规律。根据模拟结果,详细讨论材料各方面性质对于裂尖附近区域力学行为的影响。

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。

SiCp／Al基复合材料中增强颗粒统计特征的定量化研究

基于微观组织对SiC颗粒增强铝基复合材料中SiC颗粒的特征做统计性的定量分析，研究了SiC颗粒的形状、光滑度以及粒度等特征分布规律。结果表明：增强颗粒的形状因子在正方形（1：1）与长方形（1：2）之间，且表面光滑程度相似。粒径范围为1-12μm之间，大小分布规律可用GaussAmp函数表示，位置分布带有明显的团聚特征。根据所获得的颗粒统计特征规律建立了基于视场的胞元模型，其视场范围为295μm×190μm。颗粒的形状视作长方形，边长分别为5μm和7．5μm，颗粒的面积百分数为19．09％，颗粒呈带状分布，所划分的四个区域内颗粒的个数分别为29、126、105、25。

随机多尺度短切碳纤维复合结构模型中RVE尺寸效应和方向模量的均一化响应

采用一种新型的多尺度短切纤维填充树脂均匀化方法,目的在于探寻随机短切纤维离散角度对复合结构方向模量的均一化响应,同时研究卷曲短切碳纤维(CCF)单元在具有代表体积元(RVE)结构中随机分布所引起的复合材料结构性能变化。在均一化方法中使用一种基于高斯定理的RVE结构子域后处理方案,用于提取三维结构的平均应变和应力。利用X射线计算机断层扫描方法确定2阶张量取向角和剪切纤维长度在测试样品中的概率分布信息,设计比较3种尺寸的RVE模型,通过实验和计算研究CCF多尺度复合模型应力影响区衰减长度的影响因素和该均匀化方法引起的带有旋转角度的RVE方向模量均匀化响应。研究结果表明,复合结构的剪切模量比正轴模量相对旋转角度更为敏感,衰减长度与RVE尺寸、单胞结构和纤维扭曲度等因素相关。因此,研究随机短纤维的离散性对宏观复合结构方向模量的设计,铺层角度的优化等领域具有十分重要的应用。

非均质材料界面损伤的数值模拟方法研究

由于材料制备/承载过程中其内部存在着各种尺度的裂纹,裂尖邻域的高度应力集中,会造成此区域夹杂界面有相对较高的脱粘概率。为了研究复合材料内部裂尖邻域夹杂脱粘的发展和此过程中应力强度因子的变化规律,利用含夹杂与裂尖的解析胞元法建立考虑温度效应的复合材料内部裂尖邻域的细观力学模型,并通过Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生,得到夹杂的材料性质和环境温度对裂尖附近区域夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子的影响规律。

CFRP圆形胞元蜂窝芯层面外剪切模量

为了减少卫星的热变形,将碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)材料圆管周期排布获得新型圆形胞元蜂窝芯层。考虑无论是Ressiner理论还是商业有限元软件ABAQUS,层合板计算热变形时,芯层的面外剪切模量均很重要,因此对CFRP圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切进行了研究。分别从应力与应变的角度基于能量等效原理求出圆形胞元蜂窝芯层的面外剪切模量公式。以T300/环氧材料的工程常见铺层为例,比较基于ABAQUS软件计算所得剪切模量仿真解与公式计算所得理论解,其最大误差仅为10.4%,证实公式对于CFRP材料的适用性。同时用(±45°)2铺层的T300/环氧芯层完成双剪试验,试验结果与理论结果误差为24.1%,与前人研究的铝蜂窝面外剪切模量理论解与试验解的误差相近。最后通过仿真手段证实,24.1%的误差对整体夹层结构影响较小,说明公式具有良好的工程应用价值。为以后CFRP圆形胞元蜂窝芯层的设计提供重要基础。