GNPs改性环氧3D编织复合材料导热特性研究

石墨烯纳米片(Graphene nanoplatelets,GNPs)改性3D编织复合材料将GNPs与编织物有机融合,有望协同提高材料导热特性。然而,3D编织复合材料内胞和表胞呈现出不同的导热特性,加之GNPs的协同改性作用,增加了材料导热特性研究难度。本文紧扣GNPs改性3D编织复合材料细观结构特征,以GNPs改性树脂等效热导率表征为基础,基于周期性温度边界条件,构建材料的多胞有限元热物理分析模型,详尽研究了GNPs含量、编织角和纤维体积分数等对各胞元热导率的影响规律。分析表明:随着GNPs含量增加,3D编织复合材料导热特性逐步提升。随着编织角增加,GNPs改性3D编织复合材料横向热导率迅速增加而纵向热导率下降;同时,GNPs改性3D编织复合材料热导率随纤维体积分数增加而提升。上述规律为GNPs改性3D编织复合材料导热性能设计提供了坚实的理论基础。

基于FLAC^(3D)对输电线路锚杆基础的模拟分析

锚杆作为岩土工程中广泛应用的结构构件,一直是工程师和研究人员关注的热点。FLAC^(3D)内置的Cable、Pile等线性结构单元可考虑锚杆的结构属性和摩擦特性,是较为常用的锚杆建模方式;Pile单元的轴向行为特性采用一维模型描述,粘结摩擦特征采用法向和剪切向耦合弹簧模拟,但一维线性模型很难对锚杆截面形态带来的影响进行充分考虑。为研究截面尺寸对锚杆数值模拟的影响,构建一种Pile结构单元与实体网格单元组合形成的锚杆,用Pile结构单元模拟钢筋,用实体网格单元模拟注浆体,网格单元强度参数参考Pile单元耦合弹簧的强度参数取值,构建模型后与单独采用Pile结构单元构建的模型进行了对比分析。根据数值模拟结果,单独的Pile单元锚杆模型的极限抗拔力远小于组合锚杆。经过分析发现,FLAC^(3D)软件在考虑锚杆与岩土体耦合时假定锚杆的每个节点都位于某个FLAC^(3D)网格域内(该域被称为寄宿域),锚杆节点到寄宿域各网格点的距离作为权重因子进行插值,锚杆单元节点与寄宿域网格点之间的相互联结方式、寄宿域网格节点特性等直接影响到计算结果,虽然软件计算前需设置Cable、Pile等结构单元的界面尺寸、锚固剂周长等参数,但软件对桩结构单元的体积和尺寸效应如何考虑暂时未找到相关论述。

深拉成形和3D打印对柱胞轴向压缩吸能性能的影响

设计了一种薄壁半椭球壳体柱胞单元,采用深拉成形工艺和3D打印技术分别制备了柱胞单元,对比分析了两种加工工艺下柱胞单元轴向压缩吸能性能的差异,基于胞体吸能机理,研究了预应变对柱胞吸能的影响。研究表明:轴向压缩前期,3D打印柱胞与深拉成形柱胞屈服规律相似,但3D打印柱胞压缩荷载要略低于深拉成形柱胞;随着压缩距离增大,3D打印柱胞峰值压缩荷载明显低于深拉成形柱胞,但两种加工工艺制备柱胞的最终变形模式相似。深拉成形工艺加工制备的柱胞虽然精度不如3D打印技术,但是其基体材料存在较大的预应变,增大了材料屈服应力,压缩深拉成形柱胞需要更多的荷载,并能够吸收更多的能量。与3D打印相比,深拉成形柱胞吸能性能更优越。

三维编织复合材料的细观结构分析

三维编织复合材料的优异性能是与细观结构密切相关的 ,本文在深入研究编织纱线运动规律的基础上 ,讨论了三维编织结构的单元体模型 ,并推导了编织工艺参数和几何结构参数之间的数学关系 ,通过实验验证 。

三维编织复合材料刚度和强度性能研究进展

综述了近年来国内外对三维编织复合材料的刚度和强度性能预测方法的研究进展。三维编织复合材料刚度性能的预测分析方法主要有两大类:解析法和有限元法,而强度特性的预测大多采用有限元方法来进行。最后,本文对有待于进一步研究的问题进行了展望。

三维多向编织复合材料弯曲模量的理论预测

基于单胞分析模型,采用改进的刚度平均化方法,对三维四向和五向编织复合材料的各单胞及各层的弹性性能进行预测与分析;进一步,利用材料力学理论,推导材料的弯曲模量,分析编织角、纤维体积含量以及试件尺寸对其的影响,并与拉伸模量及试验值进行比较。结果表明,三维编织复合材料的不同胞体及各层之间的弹性性能存在较大差异,并且材料的弯曲模量大于拉伸模量。研究还表明,编织角和纤维体积含量是影响材料弯曲模量的重要参数,弯曲弹性性能受试件厚度的影响比宽度大,当宽度和厚度达到一定尺寸时,弯曲模量会趋于定值。此外,三维五向编织复合材料的弯曲弹性性能明显优于三维四向编织复合材料。

三维机织复合材料的弹性性能预报模型

建立了基于等效响应比拟技术的三维机织复合材料弹性性能预报模型.首先将三维机织物的结构单元分解为4个子元(经纱、纬纱、填充纱和接结纱),用几何模型去估算这些子元的体积分数.然后依据不同的外载形式,将复合材料的应力-应变关系等效地表达为3组诸子元所组成的三维弹簧网络.根据刚度系数的物理意义,采用不同的弹簧网络连接形式,并按体积平均化方法获得材料总体刚度矩阵中相应的刚度系数,进而计算得到三维机织复合材料的9个弹性系数.该模型考虑了层内交织经纱、层间交织接结纱的弯曲以及材料内部纯树脂区对三维机织复合材料弹性性能的影响.试验结果与模型的理论预测值进行比较,表明这个模型是有效的.

异型截面三维编织复合材料细观结构分析

阐述了异型截面三维编织物编织的基本原理,以“口”字型截面为例,系统地分析了携纱器在机器底盘上的运动规律以及纱线在面内和空间的交织运动规律.采用控制体积单元法建立了异型截面三维编织复合材料中除普通方型三维编织复合材料所具有的内胞、面胞和角胞外,在矩形与矩形相连区域的相连内部单胞、相连表面单胞和相连角单胞模型.这些单胞模型的表面与预制件的表面平行,有利于今后的力学性能分析.此外,在假设纱线具有椭圆形横截面的基础上,推导了编织工艺参数之间的数学关系,为进一步分析异型截面三维编织复合材料的力学性能奠定了基础.

三维四向编织复合材料弹性性能细观分析

从四步法 1× 1编织复合材料细观结构的代表性单胞模型入手 ,将预成形件划分为三个不同的区域 ,识别预成形件的两种局部单胞 (内部单胞和表面单胞 )模型 ,将单胞中的四个不同方向的纤维束看成是空间四个不同方向的单向复合材料 ,纤维束的性能可以等价于单向复合材料的宏观性能。采用复合材料中的细观力学分析方法 ,计算单向复合材料的弹性常数。认为每一纤维束的纤维体积含量与整个单胞的纤维体积含量相等。研究了三维编织复合材料代表性单胞模型的弹性常数预测 ,探寻三维编织工艺参数与力学性能之间的关系 ,利用刚度体积平均概念 ,预测三维四向编织复合材料的弹性常数 ,理论值与试验值取得了理想的吻合。

三维全五向编织复合材料的细观结构分析

基于三维全五向矩形编织工艺的携纱器运动规律,系统研究了三维全五向编织复合材料的纱线空间运动方式、纱线间交织结构形态,建立了三维全五向编织结构各区域的单胞几何模型,推导了编织角等工艺参数与各单胞结构参数间的数学关系,计算了纤维体积分数的预测值,并与实测值相比误差较小,表明所建模型较为合理、准确。

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数,提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型,该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础,用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分,满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数,与其他计算结果和实验结果的比较表明,该几何模型和有限元模型比较合理。

基于区域叠合有限元技术预测三维编织复合材料弹性性能

本文基于区域叠合有限元技术预测三维四向编织复合材料弹性性能。在该方法中,分别建立相互独立的纤维增强相有限元模型和复合材料整体区域(包括所有增强相和基体相所占几何空间)有限元模型,两相模型在空间叠合组成复合材料模型,运用节点自由度耦合技术使两相模型满足变形协调关系,通过对两相模型赋予适当的材料属性以使所建复合材料模型具有与实际复合材料等效的力学特性。该方法较传统方法显著缩短了建模时间,降低了建模难度。区域叠合法的数值模拟结果与传统方法预测结果一致。本文的研究为进一步研究编织复合材料非线性宏观力学特性和渐进损伤过程模拟奠定基础。

三维四向编织复合材料的单胞应力场分布

基于三维四向编织复合材料预制件的细观结构,提出了螺旋型纤维等效模型.采用多相有限元数值法获得了三维四向编织复合材料的轴向拉伸应力应变关系,通过有限元计算得到了材料单胞模型的细观应力分布.结果表明,螺旋型纤维等效模型的数值预报结果与实验数据基本吻合,证明了该单胞模型符合三维四向编织复合材料的实际细观结构,该模型能有效地计算三维编织复合材料单胞细观应力分布场,为后续的强度研究与破坏分析奠定了基础.

三维四向复合材料微观模型的研究现状及展望

三维四向复合材料是一种新结构形式的复合材料,具有优良的力学性能、抗冲击损伤性能及耐烧蚀性能,受到各国学者的重视。在讨论目前较为成功的"米"字型、"六面体截面"交织型、"双扭线"型等单胞微观模型的基础上,提出了"贝塞尔"单胞模型。该模型较好地模拟了三维四向复合材料纤维的走向与微观结构,为下一步深入研究打下了基础。

三维五向圆型编织复合材料细观分析及弹性性能预测

基于三维圆型编织的主要工艺,系统研究了三维五向圆型编织的纱线交织结构,建立了内部单胞和表面单胞模型。推导了单胞的几何特性、编织工艺参数之间的数学关系。基于此模型,采用改进的刚度平均化方法,计算了三维圆型编织复合材料的弹性性能参数,并与实验的结果进行了对比,吻合较好。分析了编织角和纤维体积含量对弹性性能的影响,结果表明,五向圆型编织复合材料保持了四向圆型编织复合材料良好的力学性能,同时由于轴纱的加入,使得轴向的力学性能得以提高。

三向正交C/C复合材料弹性性能预测与分析

根据三向正交C/C复合材料的细观结构,建立典型单胞模型,运用均匀化法预测了材料的9个工程弹性常数,与试验值误差较小。采用预测的弹性常数对三向正交C/C复合材料开孔板的拉伸力学行为进行有限元模拟,得到的孔边应变与试验值吻合。讨论了该材料偏轴向弹性性能,分析了组分性能对材料弹性性能的影响。材料主方向拉伸模量主要由纤维控制,剪切模量由基体控制,当偏轴角为45°时,面内剪切模量转为纤维控制。

颗粒簇增强金属基复合材料的细观力学行为

基于SiC/Al基复合材料中的SiC颗粒簇周期性排布假设,通过三维有限元体胞方法,探讨了不同堆积形式下的颗粒簇微结构对基体材料中热残余径向应力的分布,所得结果对于深入理解金属基复合材料的损伤过程有参考价值.

三维机织复合材料多尺度黏弹性分析

建立了一种三维机织复合材料多尺度的黏弹性分析模型。首先构造了微观尺度纱线束胞元和细观尺度复合材料周期结构胞元两级有限元模型,由微观尺度胞元分析得到纱线束的弹性常数,再代入细观尺度胞元计算出复合材料的平均弹性常数。两级胞元模型均施加周期边界条件,保证了胞元边界上位移和应力满足周期性和连续性。随后分别建立了树脂基体和浸润树脂纱线束的蠕变模型,用实验标定树脂的蠕变参数,代入微观尺度胞元进行蠕变计算来修正纱线束蠕变模型的参数。最后将树脂和纱线束的蠕变本构关系应用于细观尺度胞元,得到材料宏观平均的应力-应变响应,模拟了三维机织复合材料的蠕变实验曲线。本文模型对于该种复合材料弹性常数和蠕变性能的预测,均与实验吻合。

单晶高温材料中铸造微孔洞的扩长

基于有限变形晶体塑性本构关系及三维体胞模型,采用有限元的方法,分析了在不同应力三维度、不同罗德参数、不同滑移系开动及不同加载取向下,单晶高温合金中铸造微孔洞扩长的力学行为。分析结果表明:累积剪切应变在铸造微孔洞的扩长中起着很重要的作用,大的累积剪切应变对应高含量的铸造微孔洞;开动滑移系族的类型对铸造微孔扩长的影响不容忽视,故准确的确定开动滑移系的类型,对于评估单晶热端部件的寿命至关重要。由于不同的取向具有不同的Schmid因子、弹性模量及开动滑移系,单晶高温合金中的铸造微孔洞的扩长还与取向密切相关,因此根据热端部件工况,合理的选择其取向是有必要的。

三维角联锁机织复合材料低速冲击破坏的有限元计算

测试三维角联锁机织复合材料低速冲击性能,得到复合材料在低速冲击过程中的载荷-位移曲线等。结合采用冲击接触定律、单元失效准则和材料刚度退化技术,建立复合材料低速冲击的三维有限元单胞模型。运用商业有限元软件ABAQUS/Explicit,联合用户子程序(VUMAT)计算复合材料低速冲击破坏过程。比较有限元计算结果和实验结果,发现二者在载荷-位移变化规律和复合材料破坏形态上较为吻合。