三维四向编织复合材料有效性能的预报

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,建立了比较合理的三胞模型。模型中考虑了3种单胞各自纤维束的空间结构和弯曲,同时引入纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响。基于刚度体平均方法,建立了相应的刚度预报模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数。用细观力学方法分析了工艺参数和尺寸效应对材料有效性能的影响规律。不同尺寸试件的数值预报结果和实验结果吻合较好。

含边界和损伤因素的纺织复合材料细观胞元模型

纺织复合材料的细观力学分析通常以胞元模型为基础,胞元边界条件的合理施加是获得精确分析结果的关键之一。本文以平面机织复合材料为例,讨论了细观胞元的选取和周期边界条件的施加方法,在此基础上建立了二维细观有限元模型,通过与全厚度模型分析结果的比较,研究了周期胞元模型的合理性,特别是边界效应和局部损伤等非周期因素对分析结果的影响,给出了这些因素下胞元边界条件的处理方法。

基于介观结构的饱和与非饱和多孔介质有效应力

基于描述含液颗粒材料介观结构的Voronoi胞元模型和离散颗粒集合体与多孔连续体间的介-宏观均匀化过程,定义饱和与非饱和多孔介质有效应力.导出了计及孔隙液压引起之颗粒体积变形的饱和多孔介质广义有效应力.用以定义广义有效应力的Biot系数不仅依赖于颗粒材料的多孔连续体固体骨架及单个固体颗粒的体积模量(材料参数),同时与固体骨架当前平均广义有效应力及单个固体颗粒的体积应变(状态量)有关.提出了描述非饱和多孔介质中非混和固体颗粒、孔隙液体和气体等三相相互作用的具介观结构的Voronoi胞元模型.具体考虑在低饱和度下双联(binary bond)模式的摆动(pendular)液桥系统介观结构.导出了基于介观水力-力学模型的非饱和多孔介质的各向异性有效应力张量与有效压力张量.考虑非饱和多孔介质Voronoi胞元模型介观结构的各向同性情况,得到了与非饱和多孔连续体理论中唯象地假定的标量有效压力相同的有效压力形式.但本文定义的与确定非饱和多孔介质有效应力和有效压力相关联的Bishop参数由基于三相介观水力-力学模型,作为饱和度、孔隙度和介观结构参数的函数导出,而非唯象假定.

考虑孔洞大小及分布非均匀性的材料细观损伤

为了研究金属材料中由于夹杂或第二相粒子的存在所形成的孔洞等 ,细观缺陷的大小及分布的非均匀性对材料损伤演化的影响 ,建立了孔洞群三维体胞模型 ,可以在孔洞大小及分布非均匀的情况下对材料损伤进行有限元模拟计算 .计算结果表明 :孔洞非均匀性增强了材料局部孔间干涉作用和孔洞的长大 ,引起材料损伤局部特性不均 ,因此 ,非均匀细观结构较均匀化假设更易于造成材料的损伤和破坏 ;采用常系数 q1和 q2 描述孔间干涉作用是不够准确的 ,q1及 q2

基于可变微单元模型的三维编织复合材料管弹性性能预报

用可变微单元几何模型对管状三维编织复合材料的物理性能分析的结果，建立基于Voight等应变假设的混合率细观力学模型，对复合材料管的弹性力学性能进行预测。将纱线的正轴刚度通过转换得到其离轴刚度，用混合法得到材料的等效刚度矩阵和柔度矩阵，获得复合材料等效弹性性能参数是随坐标变化的函数。举例说明了三维编织复合材料管的弹性性能及其变化规律，为其用于承载结构设计研究提供理论依据。

三维中－β尺度模式研究：一次气旋暖区锋生活动的中尺度结构的数值模拟试验

设计了一个中－β尺度数值模式，并用来试验模拟一次京津地区暖区锋生降水过程。其结果不仅给出了暖锋式锋面垂直环流（热力直接环流），而且还给出了叠加在其上的次级中尺度环流结构。这说明该模式具有研究中－β特征运动的能力。

初始损伤非均匀性条件下的材料细观损伤演化

采用孔洞群三维体胞模型对孔洞大小及分布非均匀性情况下的材料损伤进行模拟计算。结果表明 :孔洞非均匀性增强了局部的孔间干涉作用和孔洞的长大 ,引起材料损伤局部特性不均 ,表明非均匀细观结构较均匀化假设更易于造成材料的损伤和破坏 ;Gurson修正模型中采用常系数 q1 和 q2 描述孔间干涉作用是不够准确的 ,q1 、q2 是一个逐渐增大的变化量。

基于细观单胞模型镀镍碳纤维丝束力学性能模拟分析

为了探究镀镍碳纤维在大变形条件下的整体力学性能表现,采用细观力学性能单胞模型模拟与实验相结合的方法研究了镀镍碳纤维沿纤维方向的力学性能和拉伸损伤的演化。首先在万能试验机上对镀镍碳纤维丝束进行拉伸实验;其次通过界面内聚力损伤本构方程建立细观单胞模型,对镀镍碳纤维仿真拉伸。结果表明:镀镍碳纤维拉伸实验的最大应力为3242.17 MPa,仿真拉伸的最大应力为3077.65 MPa,验证了所建模型的正确性;对比分析实验与仿真的相关力学性能数据,实验与仿真得到的镀镍碳纤维的应力-应变曲线较为吻合,实验值与模拟值的相对误差只有5.3%;在拉伸过程中,镀镍碳纤维损伤开始和最终分离失效的部位是碳纤维和金属镍的结合部位,碳纤维承载了大部分的拉伸应力,且大部分应力集中在碳纤维与基体镍的接触界面单元上。

芯体壁厚对Nomex蜂窝夹层结构抗冲击性能的影响

基于虚拟实验法,发展了细观有限元模型,研究了芳纶纸表面的树脂涂层厚度对Nomex蜂窝夹层结构冲击响应及损伤情况的影响。研究结果发现,树脂涂层厚度越大,冲击的接触力峰值越大。若冲击能量不足以穿透上面板,则蜂窝吸收能量随树脂涂层厚度的增大而提高;冲击能量足以穿透上面板,则冲头侵彻深度随树脂涂层厚度增大有明显下降,同时蜂窝面外的损伤程度也降低。提高树脂涂层厚度,对于提高Nomex蜂窝的抗穿透能力较为有效,但对损伤的面积影响较小。

大连地区一次局地大暴雨过程中尺度特征及加密自动气象站数据的应用

利用常规气象观测资料、加密自动气象站风场资料及雷达回波资料对2016年8月7—8日大连地区一次漏报的局地大暴雨过程的中尺度特征进行分析,并探讨了加密自动气象站数据的应用。结果表明:2016年大连地区此次局地大暴雨过程T639、欧洲和日本3种数值模式预报结果差异较大,均漏报了暴雨和大暴雨量级降水。环流形势和物理量场对此次暴雨过程的暴雨与大暴雨量级降水落区均无明显预报指标,而卫星云图上有TBB<-45℃的中尺度对流云团与强降水区域对应;最强短时强降水区域雷达回波上有对流风暴单体,最大回波强度达55 d Bz,高度上升至4 km,50 d Bz强回波从地面伸展至6 km高度,且强度均匀,为低质心强降雨回波;同时,由加密自动气象站风场资料可知,提前1 h左右强降水落区有中小尺度辐合线形成,最强区域为中尺度气旋,这个指标配合雷达回波和卫星云图资料可以在环流形势、物理量场和数值预报均无明显特征时,作为局地大暴雨预警的指标。

碳纤维平面三向机织物细观结构分析

采用计算机断层扫描(Micro-CT)技术观察碳纤维平面三向机织物(CFTWF)横截面的细观形貌,获得织物中纱线的屈曲形态,再结合纱线交织规律,构建CFTWF细观结构单胞模型,并基于单胞模型的几何关系推导CFTWF细观结构参数的几何关系式。对比和分析CFTWF基本结构参数的理论计算值与实测值发现,两者的相对误差在8.29%以内,表明该细观结构单胞模型具有较高的准确性,且研究发现CFTWF面内结构实际是以正六边形空洞和正三角形空洞相间规则分布的。

三维四向编织复合材料细观建模

基于编织过程中携纱器的运动规律,重点分析了编织复合材料内部区域的空间构型,提出了一种改进的细观单胞模型.该模型能够考虑因打紧工艺造成的纤维束轴线弯曲构型以及截面变形,并可以给出编织参数和模型宏细观参数之间的关系,结果表明:该模型比较接近实际结构,材料内部纤维束轴线空间走向为曲线,控制点处纤维束截面为椭圆形假设已接近其真实的截面形状,并且由该模型得出的胞元几何特征数据与试件实测数据较为吻合,对花节长度的预测值最大误差保持在3%左右,在编织角分别为19°,21°和21.5°时,本模型的预测结果更接近实测结果,适用于三维编织复合材料尤其是小编织角结构的建模,可为后续力学性能的分析提供基础.