各向异性损伤理论与复合材料层板损伤测量的实验研究(二)-复合材料层板损伤测量的实验研究

鉴于传统的断裂力学无法用于受损复合材料层板,本文探索了损伤力学在复合材料层板中的应用.文内介绍了复合材料层板损伤试验的概况及损伤测试方法,文中三种层板单向拉伸损伤试验结果的分析表明在单向拉伸载荷下基于J.Lemaitre应变等效性假设的损伤能释放率Y₂可用于描述受损复合材料层板的力学状态,它的演变方程通常可用Y₂=α(σ/σ_c)β的简单函数形式来描述.对特定的层板,α、β是与初始缺陷无关的常数,可由层板损伤试验确定.试验数据表明在单向拉伸载荷下,临界损伤能释放率对特定的层板也是与初始缺陷无关的常数,反应了材料抗损伤扩展的能力.所有这些结论都为进一步建立完整损伤破坏判据奠定了基础.     

碳纤维/环氧树脂复合材料动态拉伸试验研究与损伤分析

利用MTS试验机和分离式Hopkinson拉杆对2种碳纤维/环氧树脂(T300/epoxy)层合板试件[(45/-45)₄]_S和[(0/45/90/-45)₂]_S进行了准静态(应变率10-5~10-4 s-1)、中速(应变率10-1~101 s-1)和高速(应变率102~104 s-1)冲击拉伸试验。在热力学框架内建立了基于损伤能释放率的弹塑性动力损伤本构模型,用该损伤模型来分析试件的动态拉伸失效过程。模型中提出了3种基本损伤机制(纤维断裂、基体开裂及面内剪切)的演化规律,通过对损伤阈值黏性归一化的方法考虑了应变率对损伤演化的影响。编写了该模型有限元用户材料子程序,并模拟了拉伸试验过程,计算结果表明该模型能够较好地模拟碳纤维/环氧树脂层合板动态拉伸失效过程。     

复合材料裂纹敏感性的评定──(Ⅱ)HTA/6376和T300/M10的Ⅱ型分层扩展行为

应用ENF试验研究了HTA/6376和T300/M10两种碳/环氧复合材料的静态与疲劳层间断裂行为。在静态载荷下,两种材料均呈现脆性不稳定和稳定的裂纹扩展特性。在R=0.1且△G_I大幅度变化的疲劳加载过程中,两种材料呈现稳定的裂纹扩展。采用位移控制方法,确定了裂纹扩展速率与循环应变能释放率的关系和应变能释放率门槛值。与T300/914C相比,HTA/6376和T300/M10具有较高的抗裂纹扩展能力。     

基于虚拟裂纹闭合技术的应变能释放率分析

基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了复合材料层合板层间裂纹尖端的应变能释放率(SERR)三维有限元计算模型。该模型考虑了裂纹尖端大转动和离散单元形状变化对应变能释放率计算的影响,修正了裂纹尖端应变能释放率的计算方法。利用该模型计算了裂纹长度为15 mm和35 mm时纯Ⅰ型和纯Ⅱ型的应变能释放率,纯Ⅰ型应变能释放率分别为 207 J/m2和 253 J/m2;纯Ⅱ型应变能释放率分别为 758 J / m 2和 1040 J / m2;计算值与试验值吻合得很好。同时,该模型计算了混合型不同比值 R=(G_Ⅱ/G_Ⅰ+G_Ⅱ)的长裂纹层合板层间断裂过程的应变能释放率,其中Ⅰ型和Ⅱ型应变能释放率计算值与试验平均值的最大误差为 11.4%,最小误差为 0.4%。该模型能有效计算裂纹尖端的应变能释放率。     

非均质混杂叠层梁的分层剪切理论

本文研究了正交各向异性混杂叠层梁的应力与变形计算.叠层梁是由几层弹性性质明显不同的非均质子层梁组成.对每一子层梁应用剪切理论,并假设相邻子层梁的交界面是理想连接.文中导出了关于子层梁剪切转角ψ_i的二阶常微分方程组.求解微分方程组可得到叠层梁应力与位移关于剪切转角的ψ_i解析表达式.叠层梁组分材料中任一点应力可按有效模量理论和整体——局部方法[3]求得.     

复合材料层板损伤过程的刚度分析

本文对典型铺设的[0₂/±45₂/90₂]_s碳/环氧复合材料层板中的典型损伤状态进行了实验观察,测定出损伤对层板刚度引起的下降率.建立了横向裂纹扩展、分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析模型,计算出对层板刚度引起的下降率,并与实验值进行了比较.结果表明,横向裂纹和分层是层板的主要损伤型式,分层损伤扩展是一个主导性的稳定的损伤扩展过程,是导致刚度下降的主要因素.     

环氧玻璃钢层合板冲击破坏及其断口微观特征的研究

S-GF/Ep648复合材料层合板[0₉°/θ]_s冲击抗力试验的结果表明其冲击抗力值与铺层角θ无关,只受浸水时间的影响;而另一种铺层形式[+θ₈/-θ₈]的复合材料层合板,在落重冲击试验中却发现:在相同的冲击能量下,θ越大,分层破坏越严重,损伤区面积也越大。利用SEM-505扫描电子显微镜对发生穿透性断裂、层间分层断裂或仅出现冲击损伤等破坏形式的断口表面进行了观察和分析,讨论了影响该复合材料冲击断裂和冲击损伤性能的因素。     

不同类型的基体对0-3型压电复合材料性能的影响

制备了PZT/环氧树脂和PZT/尼龙两种0-3型压电复合材料。研究表明,以尼龙-1010为基体的复合材料的饱和极化电场E_s和时间t_s均比环氧树脂E-20为基体的复合材料低,而压电系数d₃₃却比后者高。     

自生复合Al11La3/Al共晶材料的轴向拉伸性能及其断裂机制

本文研究了自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料从室温到673K时的轴向拉伸性能和轴向拉伸断裂机制.结果表明:在G=700K/cm、R=11.1μm/s的定向凝固条件下,该材料轴向拉伸性能在室温时为260MPa、在673K时为265MPa.对拉伸过程的动态观察和断口形貌的分析表明:自生复合Al₁₁La₃/Al共晶材料在室温到673K温度范围内,其轴向拉伸断裂机制相同:纤维相Al₁₁La₃的断裂是整个共晶体断裂的控制机制:其轴向拉伸的断裂模型为:弹性变形、裂纹萌生、界面脱粘、搭桥过程、宏观断裂.     

声波作用下的单圆柱绕流及传热特性数值研究

为了研究声波对单圆柱绕流流动和传热特性的影响,建立了流场、声场、对流传热多物理场耦合的二维数学模型,并利用有限元软件COMSOL进行数值模拟。结果表明：（1）当频率f=50 Hz、声压级L_SP=123～149 dB时,斯特劳哈尔数Sr随声压级增大而减小,圆柱表面压力系数C_P随声压级增大而增大;（2）L_SP=143 dB、f=20～80 Hz时,斯特劳哈尔数Sr、压力系数C_P均随频率f增大而增大;（3）对比f=50 Hz、L_SP=143 dB声波作用与无声波作用的情况,阻力系数C_DF和升力系数C_DL都呈周期性变化,但有声波作用时振幅增大;（4）声波作用会促进圆柱表面热量传递,但当L_SP>143 dB,圆柱表面局部努塞尔数Nu_θ开始减小。该研究结果为强化圆柱绕流传热提供了理论研究基础。     

基于栅格节距中心峰值检测的扫描探针显微镜校准方法

为了解决扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）现有校准方法复杂程度高且存在局限性的问题,提出了一种基于二维标准微尺度正交栅格的SPM校准方法,通过对扫描获取的栅格图像进行互相关 / 卷积（Cross?correlation / Convolution, CC）滤波,实现对栅距中心坐标的峰值检测。校准的运动几何误差包括x轴和y轴位置偏差Δx和Δy、沿x轴和y轴扫描的直线度偏差δy和δx以及两轴之间的正交性偏差γ_xy。根据x轴和y轴扫描像素数、扫描范围、标准栅格计量检定节距平均值、栅距平均值计算得出校准因子C_x和C_y。采用标称节距为10 μm的正交栅格样板对原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）进行校准实验,结果显示C_x和C_y分别为0.925和1.050,γ_xy为0.015°,该台AFM的校准扩展不确定度为0.33 μm（k = 2.56）。研究成果对于推动SPM校准标准文件的具体实施和执行具有积极意义,并为SPM仪器研制及性能评估提供了技术参考。     

电学计量中的量子标准与自然常数

介绍了库仑定律和安培定律在电学单位制中发挥的作用,依据机械功率与电功率等效的原理,选择电流单位安培（A）作为基本物理单位,并介绍了实用单位制和电学实物计量标准。阐述了三种电学计量的量子标准原理和溯源到自然常数的途径,分析了真空磁导率在安培定律公式中发挥的作用,探讨了电学量子三角形与欧姆定律兼容的问题。指出基本电荷量常数不是简单地从约瑟夫森常数K_J?90和冯·克里青常数R_H?90推导而来,而是由精细结构常数公式计算出来的,能量守恒原理是单位制中的第一性原理,是力学和电学计量单位的纽带。提出量子点之间的位移电流对单电子隧道泵有一定的影响,真空磁导率不再是理想的常数,真空磁导率的变化将成为后来理论界研究的重点。     

复合材料夹层壳振动分析的高阶剪切变形理论

本文提出了计及复合材料面板横向剪切变形的夹层壳高阶位移模式,该模式满足夹层壳上、下表面剪应力为零的条件,并以此推导出夹层壳自由振动的有限元方程,讨论了夹层壳的夹芯及面板的阻尼特性,给出阻尼矩阵的形成方式,将数值计算与实验结果进行了对比,最后给出了阻尼比Ψ随夹芯厚度h_c、剪切模量G和阻尼损耗因子β的变化曲线.     

CF/PEEK复合材料界面层结构与性能关系研究

本文根据聚醚醚酮(PEEK)在碳纤维表面形式的横晶层的结构特征分析,建立了CF/FEEK复合材料界面层微观力学性能的理论方程,计算了界面层的杨氏模量.通过超声浸渍法测量复合材料的力学性能验证了计算结果,证明所进行的分析合理.计算结果表明,PEEK界面横晶层在垂直于纤维方向的杨氏模量E_r随PEEK结晶度的增大,或随横晶中PEEK晶片长度的增大而增大,并随晶片厚度的增大而减小.该界面层的上述模量值始终高于界面层附近球晶的模量值E_s,两者之间的比值E_T/E_s;依赖于横晶及球晶中的晶片长度b、厚度c和宽度a.由于界面层的模量高于非界面层的模量,当复合材料中纤维表面形成横晶时,复合材料将有较高的刚性.     

光学非均匀纤维复合材料对径受压圆盘应力分布－光学关系研究

本文报道利用显微激光分析仪研究微透明实际纤维复合材料对径受压圆盘径向应力分布的新尝试。结果表明,从I-θ曲线中提取出来的傅里叶变换四次基波的模A_‖4等于均质双折射材料在暗场下的等色线亮度的1/2.当用传统方法无法再获得实际纤维复合材料的条纹图象时,仍然可以利用显微激光分析仪得到A_‖4,且借助于A_‖4,可通过作图法求出对径受压圆盘的径向应力分布,所得结果与H.Okabo的理论计算相吻合。实验表明,采用上边方法可对透光度低达万分之六(0.06%)的实际纤维复合材料进行测试。     

热负载条件对SiO2气凝胶组成及微观结构的影响

通过阶梯升温并结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段,研究了不同温度所得SiO₂气凝胶的组成和微观结构,在程序升温条件下通过TG-DTG曲线和无模式函数法研究了SiO₂气凝胶热重行为的变化.结果表明：SiO₂气凝胶主要由7~9 nm球状颗粒构成类线形团簇,进而以团簇为骨架构成三维网络多孔结构;阶梯升温下,随着热处理温度的升高,气凝胶中Si—O—Si基团的摩尔分数逐渐增加,Si—OH和Si—OC₂H₅的摩尔分数逐渐降低,1 073 K时Si—OH基本消失,但存在6.59%的Si—OC₂H₅基团;气凝胶颗粒逐渐长大,部分骨架坍塌,温度达到1 273 K时,颗粒长大至约50 nm,团簇彻底消失,材料发生明显烧结.程序升温下,升温速率越高,气凝胶的热稳定性越好;材料的失重过程分为3个阶段：当反应转化率α < 30%时,主要发生硅羟基(Si—OH)间的缩合;当30% < α < 70%时,主要是硅羟基(Si—OH)与/或硅乙氧基(Si—OC₂H₅)之间的缩合;当α>70%时,主要是硅乙氧基(Si—OC₂H₅)之间的缩合.     

两级模型—预测单向复合材料弹性常数E2和G12的一种探索

由于复合材料具体构造的复杂性,各种预测复合材料弹性常数的微观力学模型都难以确切模拟复合材料的几何构造、组份的物理状态及其真实的受力和变形情况。因而对既定模型的严格分析和数学推导不一定都能得到精确的预测。本文根据单向纤维复合材料中纤维分布的不均匀性,采用两级模型,简便地导得预测E_T（E₂）、G_LT(G₁₂)的理论表达式,收集不同复合材料的多组试验数据进行检验结果表明本文方法与其他八种预测公式相比,具有较高的精度。尤其是对G_LT这个通常认为很难预测的剪切模量,本文方法似乎远优于其他公式。其中的机理还不能说得很清楚。     

界面相多重开裂对纤维强度的影响

当纤维表面的界面相(如涂层)较脆时,纤维发生断裂之前界面相一般会发生多重开裂的损伤,这种损伤裂纹垂直于纤维轴向,故能导致纤维强度下降.本文以四相(纤维,界面相,基体,复合材料)圆柱体模型为基础,并假设界面脱粘后不再传递剪应力.首先用剪切滞后理论求得了界面相发生多重开裂后,纤维、界面相中的应力集中系数,以及界面上的剪应力,并同时考虑了纤维与界面相间界面部分脱粘的影响;然后,假设纤维强度统计特性用Weibull分布函数表示,从而根据界面相多重开裂在纤维中引起的应力集中系数K_f得到广纤维破坏概率的变化.最后利用界面脱粘区的大小,定性研究了界面剪切强度τ0对纤维强度的影响,结果表明:存在一个最佳的界面剪切强度τ0,使界面相多重开裂对纤维强度的影响最小.     

带声学放大器的行波热声发动机声阻抗特性

通过分析带有声学放大器的行波热声发电系统中直线发电机的电-力-声类比图，发现直线发电机的最佳工作状态与行波热声发动机的输出声阻抗特性相关。采用DeltaEC软件计算带有声学放大器的行波热声发动机（以下简称系统）的输出声阻抗特性。计算结果发现，输出声阻抗虚部X_a为-1×10⁷ Pa·s·m^-3时，系统的最大输出声功率545.47 W，最大热声转换效率为7.2%；当输出声阻抗虚部X_a在-3.9×10⁶~-1×10⁷ Pa·s·m^-3之间变化，实部R_a在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间时，等效位移在1.89~6 mm之间变化，符合直线发电机的位移要求；结合输出声阻抗对压力与体积流率的相位差及系统工作频率的影响，发现声阻抗实部R_a应在1.37×10⁶~2.31×10⁷ Pa·s·m^-3之间，声阻抗虚部X_a在-7.5×10⁶~-1.0×107 Pa·s·m^-3之间时，系统具有较好的工作状态。     

ZrO2在β"─Al2O3复合陶瓷中的作用

本文研究了四方和立方ZrO₂在与Na-β"-Al₂O₃的复合陶瓷中作为第二相所起的各种作用。结果说明ZrO₂对复合陶瓷具有细化晶粒、改善显微结构、提高强度和断裂韧性的作用,与此同时也在一定程度上降低离子电导率。在提高力学性能方面,四方ZrO₂除了具有与立方ZrO₂相同的弥散颗粒的作用外,相变所起的作用也是很显着的。ZrO₂-Na-β"-Al₂O₃复合陶瓷是一种有应用价值的固体电解质材料。