三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

2.5维机织复合材料强度准则

2.5维机织复合材料已有较为广泛的应用,目前对该类复合材料强度理论的研究还相对较少。根据2.5维机织复合材料拉伸破坏的细观机理,基于单向复合材料的三维Hoffman准则,建立了2.5维机织结构复合材料拉伸破坏准则,通过对2.5维机织复合材料3种结构24个试件进行拉伸试验,与计算预测结果的对比表明了本文建立的强度准则的合理性。研究表明,纤维拉伸断裂是2.5维机织复合材料拉伸破坏的主要原因;相比基于最大应力准则、Hashin准则建立的强度准则,基于Hoffman准则建立的强度准则综合考虑了纤维在外载荷作用下各应力分量对纤维断裂破坏的影响,其预测结果与实际试验结果更为接近;在其他条件不变情况下,随纱线取向角增大,纱线拉伸断裂应力呈非线性降低。随纱线纤维体积含量增加,纱线拉伸断裂应力成线性增加。     

碳纤维/环氧单向复合材料的统计强度和破坏准则

本文运用了纤维损伤的随机临界核理论及混合法则 ,对碳纤维 /环氧单向复合材料受纵向拉伸时的统计强度及破坏准则作了理论分析与实验研究     

碳纤维／环氧单向复合材料的统计强度和破坏准则

本文运用了纤维损伤的随机临界核理论及混合法则，对碳纤维／环氧单向复合材料受纵向拉伸时的统计强度及破坏准则作了理论分析与实验研究。     

复合材料加筋层合板的极限强度分析

基于更新拉格朗日格式,应用非线性层合三维退化壳元,结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型以及提出的刚度矩阵奇异判断准则,对复合材料加筋层合板在轴向载荷作用下的压缩极限强度问题进行深入研究。讨论了铺层方式、板厚等对极限强度的影响。通过与试验结果进行比较,表明基于提出的刚度矩阵奇异判断准则,结合增量更新拉格朗日格式下非线性层合三维退化有限元的计算方法,能有效计算复合材料加筋层合板的轴向压缩极限强度,并具有很高的精度。     

基于渐进损伤分析的复合材料螺栓连接强度包线法研究

针对中国民机采用T800级复合材料这一新材料体系而基础数据匮乏的现状,采用渐进损伤分析(PDA)替代试验以显著降低研究周期和成本。综合渐进损伤方法和工程算法各自的优点,提出以渐进损伤分析替代应力集中减缓因子(SCRFs)测定试验,进而建立强度包线,并进行多钉连接强度预测的数值策略。为验证该数值策略的可行性,针对典型铺层应力集中减缓因子,测定试样,并开展渐进损伤分析,获得了试验件强度预测值来计算应力集中减缓因子,采用旁路载荷修正的强度包线法,绘制了典型铺层复合材料多钉连接旁路载荷修正强度包线,预测多钉连接的失效载荷,并与试验结果进行对比。结果表明:采用该数值策略预测的强度包线、多钉连接的失效载荷和失效模式均与试验结果吻合良好,证明了该数值策略的可行性。     

陶瓷基复合材料三维有效应力强度失效模型

基于陶瓷基复合材料在多轴应力作用下的各向异性损伤演化机制,提出损伤解耦分析的模型和方法,实现定量描述损伤分量之间的耦合影响效应。考虑损伤引起的内应力强化,通过引入有效应力的概念,对微细观损伤造成的材料承载性能衰减进行了表征,并提出复杂应力条件下强度失效判别的最大有效应力判据和二次有效应力判据。采用平纹编织C/SiC复合材料,开展了轴向拉伸加卸载、偏轴拉伸加卸载和面内剪切加卸载试验,进行了损伤演化和强度失效分析。模型和试验结果对比分析表明,本文提出的强度理论具有合理性,预测结果准确。      

闸瓦复合材料压缩弹性模量和压缩强度的概率分布及其强度预测

应用概率的拟合方法检验了闸瓦复合材料压缩弹性模量和压缩强度的分布，其分布分别遵循Eu=0和σu=0的Weibull分布，并估计了它们的分布参数，探讨了配方二的弹性模量与强度之间的相互关系，及在均值意义下，不同配方的弹性模量和强度之间的相互预测，预测结果具有满意的精度。     

短纤维橡胶复合材料强度的理论研究I 纵向拉伸强度的理论预测

首次在较宽的纤维用量和纤维长度范围内, 研究了短纤维橡胶复合材料的拉伸强度规律, 并基于Cox 剪滞法和复合材料的结构特点, 提出了一种新的混合定律模式, 对复合材料的纵向拉伸强度进行了理论预测。结果表明, 新的模型包含结构因素较全面, 理论计算值与实验值符合较好。此外, 探讨了复合材料的拉伸破坏机理, 认为复合材料的拉伸破坏主要由界面控制, 在复合材料中存在着界面剪切应力集中和纤维拉伸应力集中之间相互竞争增长的过程, 但前者的增长制约着后者的增长。本文是短纤维橡胶复合材料强度理论预测的第一部分。      

孔隙对陶瓷基复合材料强度影响的研究进展

陶瓷基复合材料具有较强的结构特性,是一种多相体材料.其力学性能及损伤破坏规律不仅取决于各组分材料性能,同时也取决于细观结构特征.对于复合材料的强化,通常是通过掺入夹杂物以提升其界面强度.但是由于夹杂掺入的不均匀性,以及制备工艺无法排净的空气和其他杂质,使得基体尤其是界面附近的基体,不可避免的存在孔隙,这些孔隙在受到外部载荷时产生裂纹继而扩展,造成材料失效.因此通过研究材料在遭受外部载荷冲击时,其在细观层面的损伤演化与宏观失效表现的关系,从细观层面分析材料损伤演化的规律和断裂机理,不仅可以为复合材料的制备提供理论上的指导,而且还可以通过对材料细观结构的进一步优化达到设计材料的目的.本文介绍了陶瓷基复合材料在制备过程中产生的缺陷、缺陷致使材料发生损伤失效以及缺陷对复合材料有效强度影响的研究现状,在总结复合材料相关研究成果及不足的基础上,结合仿真建模分析手段对下一步复合材料有效强度问题研究进行了展望.     

剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测

采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料,研究纤维含量、长度及其分布、不同基体树脂和相容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性,采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维强度,并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明：剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高,树脂基体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂MAPP对冲击强度具有负作用,而界面层为柔性层的相容剂PP-g-GMA对冲击强度具有提高作用;同等含量下,使用PP-g-GMA后复合材料的冲击强度比使用MAPP提高21.7%。通过KH550硅烷溶液处理后的纤维与PP-g-GMA反应,在界面处引入更加柔性的界面层,使冲击强度比引入MAPP提高50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后,预测值与实测值符合较好。     

基于单胞解析模型的单向复合材料强度预报方法

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观单向板的强度预报方法。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该关联矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观单向板中。考虑复合材料细观损伤状态,当纤维和基体满足各自强度准则时失效,并通过失效因子折算成刚度的衰减。在此基础上,结合有限元分析,实现复合材料单向板纵横向拉伸模拟,从而预报单向板的拉伸强度。结果表明:该方法预报的模量和强度与实验值基本一致,验证了该方法的有效性与高效性。     

Use of tensorial polynomial strength function for strength prediction in laminated polymeric composites

It has been shown recently that a strength function, expressed by a tensorial polynomial for an anisotropic material, can be only of the form

F₄(σ) + F₂(σ) + F₁(σ) ≤ 1

where F_i(σ) are the respective polynomials of order i of the σ tensor components. Some further work in this field is now presented. It will be seen that a notable simplification has been achieved, bringing down the initial number of components of an 8th rank tensor from 3⁸ = 6561 to a more managable number of 42 for orthotropic materials and 11 for the planar case. It is also shown that the three F_i(σ) polynomials cannot exist simulataneously, leading either to the known Tsai and Wu proposal or a new tensorial form. Some considerations to strength theory for isotropic materials are given as well. Finally, applicability of strength theories for composite laminates is discussed, with some suggestions for practical use.     

跨尺度预测非屈曲织物增强复合材料的刚度和强度

为了预测非屈曲织物增强复合材料的力学性能, 建立了纤维束的正六边形单胞和非屈曲织物复合材料的长方形单胞, 并重点推导了正六边单胞的方程边界条件。通过跨尺度逐级计算这两个单胞的有效弹性常数, 得到了非屈曲碳纤维织物增强环氧树脂基复合材料的宏观有效弹性性能和强度。对该非屈曲织物复合材料在拉伸载荷下的累计失效进行了有限元损伤分析。结果表明: 初始损伤发生在富树脂区或横向纤维束, 损伤在富树脂区与横向纤维束内逐步扩展, 最后向纵向纤维束扩展并迅速导致整体失效; 非屈曲织物增强复合材料的面内拉伸模量的计算预测值非常接近实验值, 面内拉伸强度计算值略小于实验值。     

连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素

基于高强、高韧、高模和压拉平衡为特征的第三代先进复合材料的需求,综述了连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展历程。基于纤维微屈曲、纤维扭结带、联合预测模型及渐进损伤失效模型,分别讨论了连续纤维增强树脂复合材料压缩失效机制,并在联合预测模型基础上,探究了碳纤维（直径、模量、体积分数、初始偏角）、树脂基体（弹性模量、剪切模量）及纤维/树脂界面三要素对连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度和压缩失效形式的影响。      

Strain-rate-dependent failure criteria for composites

The objective of this study was to characterize the quasi-static and dynamic behavior of composite materials and develop/expand failure theories to describe static and dynamic failure under multi-axial states of stress. A unidirectional carbon/epoxy material was investigated. Multi-axial experiments were conducted at three strain rates, quasi-static, intermediate and high, 10⁻⁴, 1 and 180-400 s⁻¹, respectively, using off-axis specimens to produce stress states combining transverse normal and in-plane shear stresses. A Hopkinson bar apparatus and off-axis specimens loaded in this system were used for multi-axial characterization of the material at high strain rates. Stress-strain curves were obtained at the three strain rates mentioned. The measured strengths were evaluated based on classical failure criteria, (maximum stress, maximum strain, Tsai-Hill, Tsai-Wu, and failure mode based and partially interactive criteria (Hashin-Rotem, Sun, and Daniel). The latter (NU theory) is primarily applicable to interfiber/interlaminar failure for stress states including transverse normal and in-plane shear stresses. The NU theory was expressed in terms of three subcriteria and presented as a single normalized (master) failure envelope including strain rate effects. The NU theory was shown to be in excellent agreement with experimental results.     

单向碳/碳复合材料拉-拉疲劳寿命及剩余强度预测模型

基于预测单向复合材料纵向拉伸强度的随机核模型,引入纤维单丝剩余强度二参数Weibull模型及纤维单丝与基体界面剩余强度模型,研究建立了单向复合材料纵向拉-拉疲劳寿命及剩余强度的预测模型。对经过一定次数拉-拉疲劳载荷循环后的纤维束抽取其纤维单丝进行剩余强度拉伸试验,建立了纤维单丝剩余强度的二参数Weibull模型,测试单向碳/碳（C/C）复合材料的纤维与基体界面强度。通过单向C/C复合材料算例分析表明,92.5%、90.6%和87.5%应力水平下对数预测寿命与对数试验寿命比值分别为0.79、1.00和1.11,表明所建立的寿命预测模型用于预测单向C/C复合材料疲劳寿命是可行的;纵向拉伸剩余强度预测值与试验值误差在10%以内,吻合较好,表明所提出的剩余强度预测模型具有较高的精度。     

A statistical theory of the tensile strength of short-fiber-reinforced composites

This paper is concerned with the prediction of the tensile strength of short-fiber-reinforced composites by following the statistical theory of the strength of fiber bundles. Unidirectional, misaligned, and random-fiber directions are all treated. Depending on the fiber length, two failure modes can be distinguished. When the fiber length is smaller than 2L_c, where L_c is the critical transfer length, the composite should fail by direct fiber pull-out. By contrast, it the fiber length is longer than 2L_c, most fibers break first and are then pulled out. At small fiber lengths, the prediction of the present theory is one-half the value predicted by the conventional model. However, the prediction of the present theory is in close agreement with that of the conventional approach if the fiber length is long.