短纤维增强金属基复合材料应力分布的剪切滞后分析

使用弹性理论和剪切滞后分析, 推导出了基体和纤维应力场分布表达式, 研究了纤维体积分数、纤维长径比和基体屈服强度等对应力分布和应力传递的影响。研究表明, 基体和纤维应力分布及基体的塑性行为具有明显的不均匀性, 基体与纤维之间存在明显的应力传递和应变分配。关键词　金属基复合材料, 剪切滞后理论, 应力应变分布      

Effect of fiber fracture and matrix yielding on the distribution of stress in titanium matrix composites

使用三纤维/基体有限元模型研究了纤维失效和基体屈服后钛基复合材料内微区应力分布, 结果表明: 钛基复合材料内纤维失效端面的轴向应力降为0, 承载能力降低, 相邻基体和未失效纤维的承载能力升高;随着纤维体积分数的增大, 失效后应力和失效前应力的比值增大; 当中心纤维断裂时, 纤维体积分数高的复合材料立即失效, 且失效形式为共面失效; 对于纤维体积分数低的复合材料, 基体屈服对纤维与基体之间的载荷传递有重要的影响.     

钛基复合材料中的微区应力分布

使用三纤维/基体有限元模型研究了纤维失效和基体屈服后钛基复合材料内微区应力分布,结果表明:钛基复合材料内纤维失效端面的轴向应力降为0,承载能力降低,相邻基体和未失效纤维的承载能力升高;随着纤维体积分数的增大,失效后应力和失效前应力的比值增大;当中心纤维断裂时,纤维体积分数高的复合材料立即失效,且失效形式为共面失效;对于纤维体积分数低的复合材料,基体屈服对纤维与基体之间的载荷传递有重要的影响.     

超高分子量聚乙烯架桥纤维与裂缝的交互微观力学

使用拉曼光谱研究了架桥纤维与裂缝微观力学,以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维为例,将纤维搭桥试样进行微拉伸试验,着重分析架桥纤维的止裂作用和架桥纤维/环氧树脂界面的应力分布,并对不同位置架桥试样的裂缝扩展速度和应力分布进行分析,并进一步运用剪切滞后模型,对架桥纤维在不同拉伸载荷下的应力分布进行了拟合分析,结果表明:架桥纤维能够分散部分外载应力,对于裂纹扩展具有显著的止裂作用。在低于UHMWPE纤维最大应变拉伸时,发现在裂缝中心位置处架桥纤维所承受的应力最大,其应力不超过2GPa,而基体树脂的应力可达到12GPa,架桥纤维/基体界面的应力传递达不到100%。以UHMWPE为架桥的应力传递模型呈"正抛物线"型,应力分布存在于粘结区、脱粘区和架桥区。     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题.假设纤维与基体的界面为非理想的,文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下,界面相性态对复合材料内的应力传递的影响,然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况.     

充分发挥NiTi纤维复合材料功能的一种方法

通常NiTi纤维圆柱体剪滞模型是通过界面传递应力,界面剪应力较大时,界面将产生脱粘.将两端有小垫片的NiTi纤维埋入基体中,构成一种新的NiTi纤维圆柱体剪滞模型,在一定的简化条件下,针对马氏体逆相变过程,对纤维轴应力、界面剪应力的分布及应力传递进行分析.分析结果表明,与通常模型比较,新模型可通过界面和小垫片传递应力,减小界面剪应力峰值,能充分发挥NiTi纤维的作动效应.此外还讨论了小垫片几何尺寸对应力分布及传递的影响.     

界面相性态对纤维增强复合材料内应力传递的影响

本文用有限元法研究了具有基体裂纹的纤维增强复合材料内的应力传递问题。假设纤维与基体的界面为非理想的，文中运用“弹簧层”模型首先分析了在不同的组分弹性模量比、纤维体积含量与边界约束条件下，界面相性态对复合材料的应力传宾影响，然后进一步考察了在几种典型的损伤模式下界面附近的应力分布情况。     

单纤维VS复合物纤维应力传递

纤维复合材料的力学特性很大程度上依赖于纤维和基体的应力传递。本文建立了单纤维和复合物纤维平面拉伸轴对称有限元模型，它考察了纤维拉伸时伴随基体破裂、界面分离以及基体破裂与界面分离同时发生时的应力传递特性，计算结果给出具有参考价值的有益结论。     

压力作用下横向短纤维与基体间应力传递机理研究

在短纤维增强复合材料的研究中，弄清界面应力传递机理对于认识短纤维的增强机理及短纤维复合材料的力学性能是十分重要的。但传统的观点认为，在钢纤维混凝土中纤维对混凝土抗压强度的增强作用甚微，故对压力下纤维与基体界面应力传递没有进行过研究。作者最近的试验研究与近年来的研究［１，３］均表明，中、高含量短钢纤维对混凝土的立方体抗压强度有大幅度提高。基于这一新的试验事实，作者在本文中对压力作用下横向短纤维与基体之间界面的应力传递进行了理论分析，得出了短纤维端部附近的应力分布     

纤维拔出实验的样本尺寸效应

本文作者通过数值模拟的方法,考察了纤维在基体中埋深长度及基体对纤维的包裹厚度等几何因素对纤维拔出实验中界面应力分布和断裂力学性能的影响。在理想界面(纤维与基体间完好粘结)假设下,纤维与基体间界面剪应力与正应力沿纤维轴向的分布进行了定量研究;在忽略温度残余应力、裂缝间摩擦力和材料非线性效应的条件下,对开裂全过程中系统能量释放率的变化规律进行了数值跟踪。研究表明:实验样本的几何尺寸显著地影响界面的应力分布和断裂性能。     

短纤维增强金属基复合材料的热残留应力及在拉伸和压缩载荷作用下的应力分布

发展了文献[1]中提出的变形模型, 研究了短纤维增强金属基复合材料热残留应力的分布及其对拉伸和压缩载荷下应力分布的影响。研究表明, 在拉伸和压缩载荷下, 热残留应力可导致不对称的应力分布和基体塑性, 热残留应力降低拉伸时的应力传递, 加强压缩时的应力传递。      

Micromechanics analysis of Kevlar-29 aramid fiber and epoxy resin microdroplet composite by Micro-Raman spectroscopy

The effect of geometry on interfacial micromechanical behavior of fiber/matrix microdroplets is investigated by means of the combination of microbond test and Micro-Raman spectroscopy in this paper. Microbond test is usually employed to measure the interfacial properties of fiber/matrix composites. Since the existing method was realized through traditional microscopy technique, the test results may not satisfy those accurate analyses such as geometry influence on interfacial micromechanical behavior of composites. To overcome this problem, Micro-Raman spectroscopy is introduced into the microbond test to detect the distributions of micromechanical properties including fiber axial stress, residual stress, interfacial shear stress and stress transfer length along the interfaces between Kevlar-29 aramid fiber and epoxy resin matrix microdroplets. The obtained experimental results show that axial stress transfer will accelerate and then the shear stress concentration will be enhanced along with an increase in the interfacial edge angle. The study indicates that the geometrical characteristics can affect significantly the stress distributions in the fiber/matrix microdroplets.     

短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布及其变形特征

基体行为是影响随机分布短纤维增强金属基复合材料力学性能的一个重要因素。本文作者将在短纤维复合材料单纤维三维模型的基础上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 研究在加载过程中, 不同纤维位向和界面结合状态下基体中的应力分布情况及基体的变形特征。研究表明, 该类复合材料中基体的应力分布情况和变形特征将受到纤维位向改变和界面结合强弱的显著影响。      

湿热环境对碳纳米管复合材料界面应力传递的影响

基于碳纳米管的热膨胀系数及弹性模量分别为温度变化的函数,基体的热、湿膨胀系数及弹性模量分别为温度变化和湿度变化的函数,应用连续介质力学的经典弹性壳理论及传统纤维拉拔模型,分析了湿热环境对碳纳米管复合材料界面应力传递的影响。数值计算表明,湿度、温度的效应及碳纳米管的层数等参数对界面应力的传递均有显著影响。     

基体局部软化对纤维/环氧树脂复合材料力学行为影响的数值分析

聚合物基体的变形局部化在复合材料破坏过程中起着重要作用。采用有限元分析方法, 借助用户材料子程序(UMAT), 描述了具有应变软化特点的高聚物弹塑性的本构关系, 研究了纤维/环氧树脂复合材料在拉伸破坏过程中基体局部变形的演化规律, 分析了基体的局部应变软化对纤维/环氧树脂复合材料应力的影响。结果表明: 纤维的应力分布及基体的塑性变形具有不均匀性; 基体局部变形降低了邻近断点的完好纤维的应力集中程度; 随着纤维间距的增加, 邻近断点的完好纤维的应力集中区域变宽, 而且应力集中程度降低。     

基体特性对D-Al2O3/Al 合金复合材料力学行为的影响

基体行为是短纤维增强金属基复合材料中一个重要的因素。本文将通过实验分析方法和在一定的理论分析模型上, 借助于弹塑性有限元分析方法, 对基体特性的变化对D-Al₂O₃/Al 合金复合材料力学行为的影响作较为详细的研究, 其中包括基体性能对应力传递、抗拉强度以及断裂机理的影响。研究表明, 基体性能的变化显著影响基体与纤维间的应力传递, 从而对复合材料的抗拉强度和断裂机理产生较大的影响。     

EFFECTS OF CONSTITUENT SCALE ON STRESS TRANSFER AND MATRIX CRACKING

The fundamental aspect of composites is that of stress transfer from the matrix to the fibers, and a number of mechanisms derive from this basic consideration. A previous analysis, although relatively simple and elegant, has a basic flaw, in that it assumes that there is no adhesion between the fiber and the matrix at the fiber ends, leading to the sometimes erronous condition of no stress transfer through those points. In this paper a modified end condition that better describes stress transfer is investigated and applied in determining the development of fiber, matrix and interfacial shear stress distribution in the uncracked, singly cracked and multiple cracked matrix configurations, with emphasis on the effects due to constituent dimensions.