一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用,界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响.然而由于复合材料内部结构较为复杂,颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定,尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法.本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象,提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法.首先,实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力-应变曲线,标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系;其次,建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型,选择特定的黏结区模型描述界面力学行为,通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比,分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性;进一步应用标定的界面力学参数,开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较,验证界面性能预测结果的合理性.本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高,对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助,亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.

金属增材制造晶体塑性有限胞元自洽聚类分析方法

金属增材制造是一种先进的数字化制造技术,在高性能及复杂构件快速制备方面具有独特的优势.然而,其成形材料微观组织复杂且存在不可避免的制造缺陷,导致实际制造材料性能与设计性能存在偏差,亟需发展考虑真实材料微观组织和缺陷的力学性能高效预测方法.针对该问题,发展了晶体塑性有限胞元-自洽聚类分析方法,包括离线数据准备和在线快速计算两个阶段.其中,在离线阶段,采用晶体塑性有限胞元法和聚类算法建立实际微观组织代表体元离散数据;在线阶段,采用基于加权余量-子域法的自洽聚类分析和考虑Hall-Petch效应的晶体塑性模型求解了代表体元问题的Lippmann-Schwinger方程,进而通过应力应变均匀化获得材料的宏观等效力学性能.通过理想及含不规则孔隙的多晶算例验证了所提出方法的计算精度及高效性;进一步,采用该方法研究了激光选区熔融增材制造IN625合金力学性能,并揭示了工艺参数对其力学性能的影响.结果表明,文章工作为金属增材制造成形材料力学性能预测提供了一种高效的计算方法.

复合材料双向波纹夹层结构力学性能

为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。

拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求.针对磁敏感薄膜-基底界面,开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究.首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜,分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究,研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律.实验和理论结果一致表明:具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小,而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关,薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力.进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能,揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制.最后,基于本文的实验及理论结果,提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手,可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能.本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制,对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.

龟壳角质层的微结构特征及拉伸力学性能

龟壳是由角质层和骨质层构筑而成的复合层状结构材料,具有轻质、高比强度、高韧性的优异力学性能.本文以龟壳角质层为研究对象,实验研究了角质层的多尺度微结构特征及其拉伸力学性能,主要表征了角质层的基本构元特征、界面构筑方式及角质层拉伸力学性能的影响因素.结果表明,龟壳角质层主要由微米尺度的蛋白质薄片无规则堆叠构筑,叠层厚度方向存在蛋白质桥连,面内方向由粗糙表面的薄片互相搭接;角质层具有明显的拉伸各向异性力学性能,且含水量对角质层的宏观材料特性、拉伸强度和断裂韧性具有一定的影响;薄片的拉伸断裂伴随薄片的层间拔出是角质层最终拉伸断裂的微观损伤模式.简单的有限元模型初步分析了层状结构材料的微观破坏方式,与实验结果定性一致.本文结果在进一步系统分析龟壳结构材料的多尺度力学性能及多尺度物理关联,进而提出轻质、高强韧复合结构材料的仿生优化设计方法等方面,具有一定的理论意义.