张亚芳[1]2006年在《脆性基复合材料破坏过程细观力学研究》文中研究表明复合材料破坏过程的研究近几十年来一直是力学界、材料界和工程界的研究难点和研究热点。脆性基复合材料的破裂过程与破坏机理的研究对于许多研究学者来讲都是一个富有挑战性的课题,此课题的研究对揭示脆性基复合材料的破裂机理和增韧机制以及对脆性材料结构的强韧优化设计都具有重要的理论和实际意义。由于脆性材料的抗拉能力大大低于其抗压能力,当材料达到其抗拉强度时失效往往在瞬间发生,造成灾难性的后果,所以对该类材料的强韧化设计是当前复合材料研究的一大热点。由于复合材料破坏过程中的多层次性、相关联性以及各种因素的强耦合效应,对于结构中裂纹的扩展有很大的影响,所以在此领域内尚缺少有效的理论分析研究方法,目前的理论分析工作大量集中于应力状态分析和材料的破坏判据上,对破裂过程的理论分析并不多见。虽然已进行了大量有关脆性基复合材料破裂的物理实验,但是对材料的破裂机制仍然缺乏认识,而且由于其组分材料力学性能的随机性和分散性特征,导致了复合材料损伤和破坏过程的复杂性与随机性,试图通过物理实验的方法来研究所有材料相组合的力学性能和破裂行为既不现实也不可能。众所周知,用数值方法来对复合材料的损伤和破坏进行分析研究是一个非常重要的途径,然而,传统的数值方法例如有限元法遇到破坏过程问题时就显示出了它的局限性。通常来讲,传统的数值方法可以得到满意的初始应力／初始应变场和最后的应力状态,但却不能很好地处理结构的破裂过程,即当复合材料产生破坏时,基于传统宏观意义上的数值方法不能很好地处理其中的破坏单元,也就不能很好地反映破坏过程。而复合材料的破坏机理是与各相材料介质在细观上的破坏过程,即从材料劣化到裂纹萌生、扩展及贯通密切相关的,所以需要利用细观力学的知识和方法来解决这类问题。如今,随着计算环境的改善和工程实际的客观要求,数值模拟分析正转向对结构破坏的全过程进行模拟研究,运用高性能的计算机和大规模科学计算方法对材料结构进行系统的分析研究是当前计算力学的一大特色。本文采用建立在细观损伤力学基础上的RFPA数值分析系统,可以用来模拟复合材料结构的整个破坏过程,比如,裂纹萌生、扩展直至最后的失稳破坏。在模拟过程中,用Weibull随机分布函数来描述脆性基复合材料的细观非均匀性,并通过Monte-Carlo方法实现单元力学属性的随机赋值,建立细观单元的带有残余强度的弹性损伤演化本构模型。复合材料的准脆性或韧性破坏行为的非线性可以用此方法来模拟分析,同时,可以用连续介质力学模型来解决应变软化现象和一些非连续力学问题。从细观层次上对复合材料结构的破坏过程进行分析研究可以帮助理解材料的破裂机制和破坏原理,这些从物理实验和理论分析都是难于得到的。本文对颗粒增强脆性基复合材料在单轴拉伸作用下的破坏全过程进行了分析研究,着重研究了颗粒力学性质、颗粒尺寸对结构的增韧效果,并且对柔性颗粒的增韧效果以及颗粒的不同几何分布所产生的不同破裂机制进行了分析研究。研究了界面的力学性质对复合材料的力学特性和破裂机理的重要作用。为研究界面的影响,在细观尺度上将基体、颗粒及界面都看作是非均匀性的介质,在单轴拉伸荷载作用下分别对具有不同界面强度的刚性颗粒增强复合材料和柔性颗粒增强复合材料的破坏过程进行了分析研究。同时研究了含弱界面的长纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载作用下的破坏过程和破坏机理。可以发现用本文的增韧方法来增强脆性基体结构不但可以提高复合材料的韧性,也会影响复合材料结构的强度和刚度。成功再现了破坏过程中的一些重要破坏现象,例如颗粒的穿晶破坏和沿晶破坏,纤维增强复合材料的界面脱粘／滑移,裂纹偏析／纤维桥联和拔出现象,以及与之相应的声发射现象,并对此做了细观方面的分析和讨论。此外,本文研究了层状复合材料的破坏过程及增韧机制。层状复合材料的增韧机制和传统上通过消除缺陷来提高韧性的方法不同,它是一种能量耗散机制,其结构设计将使材料强度对微缺陷的存在不那么敏感,成为一种耐缺陷材料。本文模拟了层状复合材料的裂纹扩展过程,与实验结果十分吻合。在此基础上,分别讨论了软层的强度、软层的弹性模量以及层状复合材料硬软层的厚度比对复合材料强度和增韧性能的影响。最后,本文还进行了三维数值模拟分析,通过高性能的并行计算,运用RFPA3D数值模拟分析程序模拟和研究了三维条件下层状复合材料和破裂过程和破裂机理,更形象真实地反映了复合材料的破坏过程以及破裂机理。
赵丽军[2]2010年在《复合材料层板损伤和短纤维层间增韧的细观力学研究》文中研究说明复合材料在航空航天等许多重要结构中得到越来越广泛的应用。连续纤维增强树脂层板是目前先进结构复合材料应用的主体,它的材料性能、损伤破坏机理等成为关注的热点。近年来理论和实验研究表明,层合复合材料的层间薄弱及其相关的损伤失效,严重地影响材料和结构的承载能力,因此采用有效方法改善层间性能、提高层间断裂韧性,具有重要理论意义和应用价值,成为复合材料领域的一个活跃的研究方向。层间添加韧性较好的短纤维可以有效提高层板的抗分层能力,这一点在Hu等人的实验中已经得到证实,但至今相关的理论和试验研究,特别是在层间性能、损伤、增韧机理方面的细观层次研究,还很不充分。本文通过试验、理论分析和数值模拟,基于细观损伤力学,研究纤维增强树脂层板的层间特性、应力传递、损伤和短纤维增韧及主要影响因素。在试验方面,对于碳纤维/树脂复合材料层板试件和层间短纤维增韧试件,进行了层间压剪试验和三点、四点弯曲试验比较研究(第2、4章)。首先,在分析借鉴现有的剪切试验方法基础上,改进试验装置,采用一种双缺口试件压剪试验和基于压剪变形比较的反分析法,确定含或不含Zylon短纤维夹层(interleaves)的碳纤维树脂层板的就位层间剪切强度、剪切模量,观测和分析短纤维夹层的破坏形貌、破坏特点和过程。其次,为了实时显微观测裂纹扩展过程,设计了一种微型弯曲试验器,通过900铺层试件三点弯曲和四点弯曲试验,观测基体横向裂纹的发生发展规律,以及层间短纤维桥联对基体横向裂纹扩展的影响。复合材料层板的力学性能、损伤,应力传递机理十分复杂,需要进行细观层次分析。本文基于细观损伤力学理论,与代表性条件单元(RVE)有限元分析相结合,利用Mori-Tanaka方法研究短纤维夹层的无损弹性性能；考虑纤维杂乱分布特点,用改进的等效各项异性无损非均匀性模型,研究短纤维夹层的损伤和应力传递,预测短纤维夹层在界面和基体开裂损伤情况下的弹性性质及损伤演化过程,与层间剪切试验结果进行了比较(第3章)。试验表明,短纤维夹层增韧主要原因是拉出和桥联过程中的能量耗散。鉴于随机分布短纤维拉出分析的复杂性,本文基于拉出能量的数量级分析证明纤维脱粘过程可以略去,建立了一个简化的拉出／桥联增韧模型和解析法,改进Leung等人的基体剥落准则,考虑基体剥落和纤维随机分布的影响,研究了具有任意倾斜角度的准脆性单根短纤维从脆性基体中拉出的完整过程,通过算例分析了倾斜角度、界面摩擦力、纤维长度等主要参数对拉出和增韧的影响,证明界面摩擦应力和纤维长度存在最佳的桥联增韧组合(第5章)。为了分析损伤的相互影响和损伤层板性能的就位效应,选取正交铺设层板二维代表性体积单元,考虑基体裂纹、层间开裂和纤维断裂三种损伤,将单向拉伸推广到面内外组合位移加载情况,利用有限元数值分析和层间粘结单元,讨论层板损伤演化规律及其对单层板有效刚度的影响。(第6章)最后,应用和推广层板细观损伤演化分析结果,考虑损伤发展过程和损伤间的相互影响,与层间应变失效准则相结合,用层离散有限元法分析飞机结构中典型的加筋壁板低速冲击损伤行为,通过数值模拟证实层间短纤维增韧对于提高层板抗冲击能力的有效性。(第7章)
陈小祥[3]2012年在《基于细观力学方法的耐火材料损伤模型研究》文中研究表明耐火材料广泛应用于冶金、机械、航空、化工、建材等行业的各类工业窑炉以及高温容器件的内衬结构中，是高温工业中不可或缺的重要组成部分。由于其使用环境极其恶劣，造成了耐火材料极易破坏，降低了高温容器件的使用寿命，影响整个生产流程的正常运行。本文利用细观力学方法，分别建立了耐火材料在常温和高温下的损伤细观力学模型，对镁碳质耐火材料的损伤行为进行了研究。本文主要的研究内容包括：(1)根据耐火材料界面的不同状态，在界面相模型的基础上，提出了利用界面相力学性能的持续变化来描述耐火材料在受载荷破坏的过程。研究发现，界面相模型表征的完美界面的弹性性能和材料无损伤时的弹性性能基本吻合，此模型表征的界面脱粘的弹性性能和材料破坏时的弹性性能基本吻合。(2)在损伤力学理论和界面相模型的基础上，建立了镁碳质耐火材料常温下受拉和受压时的细观损伤力学模型。利用该模型，成功地模拟了镁碳质耐火材料的损伤过程。(3)在损伤力学理论、界面相模型以及耐火材料热膨胀性等性质的基础上，建立了镁碳质耐火材料高温下受拉和受压时的细观损伤力学模型。利用该模型，可以模拟镁碳质耐火材料高温下的损伤过程。本文基于界面相模型、损伤力学理论以及耐火材料热膨胀性等性质，建立了耐火材料常温下和高温下受拉和受压时的细观损伤力学模型。利用该模型模拟了镁碳质耐火材料常温和高温下的损伤过程，为耐火材料非线性力学行为的研究提供了新的思路。
史剑[4]2011年在《针刺陶瓷基复合材料应力应变响应模拟及验证》文中认为针刺陶瓷基复合材料不仅改善了二维编织陶瓷基复合材料层间强度，而且比三维编织陶瓷基复合材料的工艺简单、成本低，是一种极有发展潜力的复合材料。目前国内外针对针刺陶瓷基复合材料的制备工艺和静强度试验开展了大量的研究，但是针对该材料的本构关系与失效模型研究较少。因此对其本构关系与失效模型的研究有着积极的工程意义与应用价值。根据针刺C/SiC复合材料细观结构照片，建立了针刺C/SiC复合材料的细观结构分析模型，采用有限元法对其弹性性能进行了预测，并与试验值进行对比，吻合较好，最后分析了工艺参数对弹性性能的影响。对于孔隙率，采用金相法与排水法测量开孔孔隙率，采用密度法计算总孔隙率，并将孔隙折减到相应的基体模量中，最后将折减后的模量代入模型进行弹性性能预测。在建立的细观结构模型基础上，对针刺C/SiC复合材料拉伸应力-应变曲线进行了理论模拟和实验研究。采用细观力学模型、基体初始开裂模型、纤维失效统计学模型和剪滞理论来模拟针刺C/SiC复合材料中的基体和纤维束失效，同时引入相应的破坏准则与刚度折减准则，分析了加载过程中的失效演化，得到了材料的应力-应变曲线，与试验数据吻合较好。基于连续损伤力学理论和实验曲线，建立了针刺C/SiC复合材料损伤演化的本构方程。首先依据理论推导出本构方程和损伤演化方程；然后根据细观力学模型计算出的弹性性能参数以及试验曲线确定方程中的参数，并将模型写入Matlab和Ansys二次开发(UPFs)中进行模拟验证；最后根据建立的本构模型对复杂结构进行有限元分析。
龚瑜[5]2010年在《细观损伤力学在复合材料特性统计模拟仿真研究中的应用》文中研究指明随着复合材料在工程中的广泛应用,对材料的工程特性进行统计仿真模拟,预报复合材料的强度和性能是一个具有前途的研究方向。本文以此为研究背景,进行了如下的工作。本文介绍了细观损伤力学的基本研究内容,提出了一些细观损伤力学应用的基本理论模型,结合统计模拟方法,对一些复合材料的受力性能和损伤破坏机理进行了数值模拟仿真,得到了有参考意义的结果,其中包括对金属基体单向复合材料的损伤破坏过程、聚合物基体复合材料和混凝土复合材料的断裂过程以及超纳米晶体颗粒薄膜复合材料的受力特性和细观破坏过程进行了分子动力学和细观损伤力学及动态蒙特卡洛相结合的研究,给出相应破坏过程的关系和图形。这种对复合材料宏细观结合的统计仿真模拟方法对深入研究细观损伤力学在复合材料力学特性研究中的应用方面具有一定的参考意义。本文利用细观损伤力学理论分析模型,结合计算机Monte Carlo统计模拟技术对几种典型的复合材料在变形、损伤、破坏过程中的微-细观组织结构的变化、损伤和断裂破坏过程的演化特性进行了统计仿真模拟,得到以下结论：(1)单向纤维加固金属基体复合材料的强度是由纤维的原位强度而不是原始纤维的强度控制的,原位纤维的降解性质是复合材料低应力破坏的原因。(2)基体材料为二相颗粒结构聚合物材料,微粒体积分数的增加会导致宏观屈服应力的降低。最大正应力值的增加量随着微粒间尺寸差异的增加而增大,随着微粒体积分数的减少而增大。(3)对具有单晶菱块结构的超纳米晶体薄膜材料,菱块的拉伸强度随着试样尺寸的增加而降低。但是,当加载速率较低时,试样尺寸对菱块强度的影响比加载速率较高时更大。由最小尺寸试样在最低应变速率条件下模拟得到的拉伸强度代表了材料的最终强度。
杨康[6]2013年在《基于细观损伤力学的耐火材料非线性力学行为研究》文中研究表明耐火材料是高温工业不可或缺的支撑材料，应用的部门甚为广泛。由于恶劣的工作环境，造成了耐火材料炉衬极易发生破坏而降低其使用寿命，影响整个生产的安全有序进行。传统的从宏观尺度对耐火材料进行唯象研究的方法忽略了其复杂的内部结构，难以揭示材料损伤破坏的物理机理。事实上材料宏观破坏行为是细观尺度上微观结构损伤积累和演化的结果，宏观力学分析难以满足材料的力学分析要求。本文针对这一问题开展了如下几方面的研究：（1）从材料微观结构出发，利用细观力学基本理论结合相关力学实验，分析了材料的细观损伤机理。在此基础上，提出了通过构建损伤相弹性模量关于外载荷的损伤函数表征耐火材料细观损伤演化过程的研究思路。（2）根据材料细观损伤机理，提出了利用低损伤状态下的加卸载应力-应变曲线确定材料不同微损伤形式的临界损伤阀值的方法。该方法充分考虑了材料宏观形变的一般演化规律，适用于耐火材料微损伤的临界条件的确定。（3）运用细观损伤力学建模方法，构建了损伤相弹性模量关于外载荷的损伤函数表征耐火材料细观损伤演化过程，并利用广义自洽模型解析法建立材料受载状态下的微损伤模型，实现了材料非线性力学行为的定量描述。（4）以镁碳质耐火材料为例，对材料在压缩和拉伸载荷下的损伤演化过程进行了模拟，结果表明，运用该方法对耐火材料非线性力学行为进行表征，其结果与材料试验结果可以较好地吻合。论文提出的从材料微损伤与外载荷之间相互作用的定量关系入手，结合细观损伤力学基本理论构建损伤相弹性模量的损失函数表征材料微观上演化过程的方法为耐火材料非线性力学行为研究提供了一种新的研究思路。
王艳飞, 孙耀宁, 孙文磊, 海几哲[7]2014年在《纤维增强复合材料损伤行为及强度预测细观力学建模研究进展》文中提出纤维增强复合材料的强度取决于微尺度开裂、脱粘和复合材料单元和组分相之间的相互作用。复合材料的损伤程度是影响工程应用中使用寿命失常的重要因素。采用细观力学模型对复合材料的强度、刚度和使用寿命进行预测,可以实现复合材料结构的宏、细观一体化分析。在此,总结了纤维增强复合材料断裂、损伤和变形的细观力学分析模型的发展,并展望了其发展趋势。
张小元[8]2018年在《基于细观结构的纤维沥青混凝土疲劳损伤机制研究》文中认为随着我国高等级公路建设快速发展和路网不断完善,作为实际公路的主要形式,沥青路面现阶段养护工作已十分繁重,其工程耐久性面临挑战,特别是疲劳耐久性研究已成为重要课题。而纤维作为提高路面材料疲劳耐久性的重要添加剂也已得到广泛应用,但其中的内在作用机制和理论研究有待进一步开展。本文通过多尺度细观结构建模、有限元模拟及室内试验验证相结合的手段,开展了纤维改善沥青混凝土粘弹力学特性及其抗疲劳损伤机制的研究。首先,在沥青砂浆层面,提出了一个纤维三维随机分布算法,利用MATLAB编程实现了纤维数值模型的生成,并在ABAQUS有限元中建立了纤维与砂浆基体两相复合有限元模型,实施了纤维砂浆梁试件弯拉流变模拟。通过分析纤维不同取向、含量、长径比及类型等因素的影响,结果表明纤维能有效吸收砂浆基体应力,使其起到加筋效果而降低砂浆流变,含量提高、长径比增大以及沿砂浆试件水平方向分布增多加筋效果也越明显,且玄武岩纤维要好于软钢丝纤维,如0.3%含量的这两种纤维试件3600s时流变较控制试件降低近61.7%和44.0%。进一步通过敏感性分析,建立了纤维特征(纤维含量、长径比和模量)与砂浆Burgers粘弹参数的关系方程。其次,在混合料层面,利用图像切片扫描及其处理技术获取了粗集料和砂浆两相复合二维细观结构,在ABAQUS中实现了细观试件蠕变模拟。结果表明,较均质试件内部应力场的均匀梯度变化,细观试件有明显应力集中现象,且相比普通细观试件,加纤维后砂浆组分模量提高,使混合料整体模量增大,进而抗蠕变能力增强,如0.3%含量玄武岩纤维和软钢丝纤维试样1800s时变形降幅达36.1%和19.3%。进一步数值分析集料模量、纤维特征等因素的影响,表明纤维和粗集料模量对混合料粘弹参数影响可忽略,而其他纤维特征下砂浆与混合料之间的粘弹变形呈正相关,并得到了两者对应粘弹参数间的定量关系,进而建立了纤维特征(纤维含量和长径比)与混合料粘弹参数的敏感性关系方程。最后,对加0.3%含量纤维与不加纤维混合料试件实施应力控制疲劳试验,结果表明纤维的添加能明显提高试件疲劳寿命,如4kN荷载水平下玄武岩纤维和软钢丝纤维试件寿命提高近63.4%和25.0%。基于纤维特征与混合料性能的关系方程所得参数,推导了循环荷载下变形演化方程,得到纤维试件变形值较控制试件更小,并与疲劳试验变形规律相同;耦合粘弹变形与损伤,建立了疲劳损伤演化模型,结果表明加纤维试件在同循环数下的损伤明显降低,如玄武岩纤维和软钢丝纤维试件加载6000次循环数损伤降幅达47.8%和26.2%,也使疲劳损伤演化过程延长,进而疲劳寿命提高,揭示了纤维通过降低混合料粘弹变形改善疲劳性能的内在机制。此外,通过分析所推导的变形演化结果,提出了一个表征纤维对疲劳寿命影响的特征斜率,得到了相应的修正疲劳方程;进一步由不同纤维特征下的疲劳损伤研究表明,在保证纤维均匀分散前提下提高纤维含量和长径比有利于疲劳损伤的降低,如2MPa应力水平下加载10000次循环数的0.3%、0.2%含量玄武岩纤维试件较0.1%含量纤维下损伤降幅近20.7%和13.7%,而长径比Ld为50、40、30较Ld为20的降幅约 8.3%、4.3%和 2.0%。本文从纤维复合材料多尺度细观结构入手,研究了纤维加筋沥青砂浆进而降低混合料宏观粘弹变形的内在机理,也揭示了加纤维对沥青混凝土抗疲劳损伤的作用机制,对沥青混凝土中合理利用纤维具有重要指导意义。
刘昌明[9]2012年在《基于细观力学的耐火材料损伤本构模型开发与实现》文中研究表明提高炉衬寿命是降低耐火材料消耗的主要途径之一，数值模拟则是研究如何提高其寿命的重要方法。然而，耐火材料自身的微观非均质性所产生的复杂非线性力学行为以及损伤形式，使传统的数值模拟技术和强度评价方法难以适用，这成为制约该项技术推广和应用的瓶颈。因此，研究耐火材料力学行为的损伤破坏机理，预测炉衬材料的损伤形式，以及解决该类结构强度分析中缺乏适用于材料自身的本构关系和强度准则的难题，对提高炉衬结构的使用寿命具有十分重要的意义。本文以镁碳质耐火材料为研究对象，从材料的细观力学建模、以声发射试验为核心试验手段的微观损伤试验表征和细观损伤力学模型的有限元嵌入三个方面对炉衬耐火材料的力学行为进行了系统的研究。论文的主要工作包括如下内容：1、运用改进的广义自洽算法对镁碳质耐火材料进行了力学性能估算针对基质相成分不同对镁碳质耐火材料宏观力学性能的巨大影响，采用改进的广义自洽算法，从其显微结构和组成两个方面探讨了材料宏观性能存在差异的原因，发现耐火材料基质相的性能对材料宏观性能影响很大，为评估耐火材料整体力学性能提供了一种全新的思路。2、提出了一种模拟耐火材料非线性力学行为拉压非对称损伤特性的算法在了解材料组分影响及其损伤形式的基础上，将细观力学方法应用于耐火材料非线性力学行为研究中。基于广义自洽模型，对材料的拉压损伤过程分别提出物理假设：受拉过程中，基质逐步与气孔融合形成二次基质相，与此同时进行，颗粒逐步被二次基质相“吞噬”；受压过程中则只有基质与气孔融合过程，而颗粒保持不变。借助改进的广义自洽算法对材料在受拉压载荷下的损伤过程进行了数值模拟，模拟的结果可以较好地与试验结果相吻合，证明了本假设的合理性。该方法避免了在实际操作过程中的复杂损伤判别过程，为耐火材料损伤行为的研究提供了一条崭新的思路。3、提出了一种定量表征耐火材料损伤程度的界面相损伤模型在基质相与颗粒相之间假想存在一层带有厚度的界面相，建立基于界面损伤的耐火材料损伤本构关系用以描述损伤演化过程。在常温损伤模型的基础上，考虑温度因素，得到包含温度效应的界面损伤模型并以子程序形式嵌入至有限元本构模型中。借助界面相损伤模型，可以直观得到界面损伤程度对材料宏观性能的影响，简化了传统弹簧模型的计算过程，搭建起细观界面与宏观性能之间的桥梁，在研究方法上为耐火材料的损伤行为研究提出了新的思路。4、提出了基于信号分析方法的耐火材料损伤特征提取对材料进行了力学性能测试并利用信号分析的方法对材料的损伤进行了试验表征。分别采用小波能谱系数法实现耐火材料的损伤模式识别和功率谱分析法实现对材料损伤程度的表征。将材料的损伤过程划分为三个阶段并提取了信号的质心能量作为表征损伤的特征参数，该参数将作为损伤函数表达式的输入，嵌入至细观损伤本构力学模型中。该处理方式解决了传统声发射数据处理方式中从时域入手简单描述损伤的限制，从损伤分类以及损伤程度两个方面对耐火材料损伤行为进行了定量试验表征。5、建立了耐火材料细观损伤力学模型借助理论建模部分与试验表征部分的研究成果，建立了耐火材料细观损伤力学模型：采用与试验表征相同的损伤阶段划分，提出并定义代表材料损伤程度的损伤函数，并以特征能量作为损伤函数输入量利用有限元软件ABAQUS自带子程序UMAT，将损伤本构模型程序化并嵌入数值计算中；同时，将考虑温度效应的界面损伤模型以场变量的形式附加到常温损伤本构模型之上。计算结果表明，模型在材料单元压力响应方面与试验值具有良好的一致性，而在预测材料三点弯曲的抗折模量和抗折强度方面与试验值相差较大，主要原因在于未考虑受拉情形的损伤本构关系。该方法综合了理论与试验的结果，使耐火材料力学损伤行为的研究呈现出系统性与一致性，为材料损伤行为的研究奠定了基础。
屈鹏[10]2012年在《纤维/树脂复合材料多尺度结构对力学性能的影响》文中进行了进一步梳理纤维增强树脂基复合材料具有较高的比强度和比模量、较强的可设计性、良好的抗疲劳性和耐腐蚀性以及便于整体成型等优点,已广泛用于航空航天、建筑、汽车、舰船、体育器材等领域。特别是在航空结构中,已成为主要材料之一。纤维复合材料具有内部结构多尺度化、组分材料高异质化的显著特征,导致力学性能与结构具有高度的关联性。因此,针对国家中长期科技发展规划中确立的大飞机重大专项,开展纤维复合材料的结构-力学性能相关性研究,实现高性能、低缺陷、低成本目标,具有重要的科学意义以及广阔的工程应用背景。纺织结构复合材料和层合结构复合材料是航空工业中应用较广泛的两种工程结构件。纺织结构复合材料由于内部增强体交织构造的存在,其应力场高度非均匀化,在某些区域存在严重的应力集中,应力集中的位置与纺织构造和外载荷类型高度相关。层合结构复合材料在面内方向能够提供足够的承载能力,但由于层间区域界面性能较弱,对面外冲击高度敏感,容易造成层间分层,严重降低层合结构复合材料后继服役过程中的力学性能,形成潜在的安全隐患。解决上述问题的有效方法之一是开展纤维增强树脂基复合材料结构-性能相关性的数值分析,研究复合材料在各种载荷下的力学行为、损伤机理与内部结构之间的关联规律,为结构的优化设计提供理论基础与技术支持,使复合材料制品满足性能要求和尺寸要求,预测和避免潜在安全隐患的产生。尽管国内外已经开展了大量研究,但相对于复杂的物理过程,数值分析所建模型仍旧比较简化,同时缺乏不同材料结构之间的对比研究。针对这些不足之处,结合课题背景和项目来源,本文以纺织结构复合材料和层合结构复合材料为研究对象,采用数值分析的方法研究了材料结构对材料微观应力分布以及宏观力学响应的影响规律,同时在多尺度层次下对纤维复合材料结构-力学性能相关性开展了系统深入的研究。本文的主要工作以及结论如下：首先,针对复合材料多尺度结构中的微观尺度-纤维尺度,开展了单向复合材料力学性能的数值分析,并以此作为后续章节中纤维复合材料结构-性能相关性分析的基础。本文选取了更接近于横观各向同性的纤维六边形布排方式,建立了周期性代表单胞模型。在代表单胞的相对表面上施加了周期性边界条件,实现了材料受载变形之后其单胞对应边界上不仅位移连续而且应力连续,保证了结构的周期性和力学性能预测的准确性。针对纤维复合材料中存在的增强相、基体相以及界面相三种组分,分别采用横观各向同性(或者各向同性)、各向同性、内聚力模型等材料本构关系建立了相应的力学模型。数值模拟了单胞模型在多种载荷情况下的微观应力分布。同时,利用复合材料细观力学中的均质化方法分析了单向复合材料的等效弹性模量。在微观应力场分析的基础上,运用渐进损伤的方法,进一步针对单向复合材料的失效强度进行了有限元模拟,重点讨论了界面强度对单向复合材料整体失效的影响。结果表明：在纵向加载下,材料的失效强度由纤维主控,界面强度对纵向载荷下单向复合材料的失效行为影响较小；而在横向载荷下,基体损伤与界面失效交互出现,界面性能对材料整体失效有着重要影响,特别是在横向剪切载荷下,界面粘结强度的提高能够显著提高材料抵抗剪切失效的性能。其次,在单向复合材料分析的基础上,针对更大结构尺度-纤维束尺度,数值分析了编织复合材料内部结构-力学性能相关性。以具有代表性的二轴编织复合材料(1×1编织和2×2编织)为研究对象,针对结构复杂、应力场分析困难、研究较少的非正交编织,本文摒弃了传统的矩形单胞选取方式,采用了更适于进行应力场分析的平行四边形周期性代表单胞；同时,考虑了非正交编织中纤维束变化的横截面,构建了更接近真实构造的有限元模型,在此基础上分析了不同纺织构造对复合材料弹性性能的影响以及在不同载荷情况下结构内部的非均匀应力分布规律,并进一步统计分析了材料内部的应力集中情况。研究发现：纺织结构复合材料内部的应力分布与纱线的交织构造具有高度的关联性；编织角对材料整体的等效性能具有重要影响；1×1与2×2这两个不同的编织构造之间的差异性同样会引起材料力学性能的不同。然后,以单向纤维复合材料力学性能分析结论为基础,在宏观尺度上对层合结构复合材料的力学性能进行了数值分析。根据渐进损伤原理,针对层合结构复合材料在准静压下出现的各种损伤,确立了相应的失效判据和材料性能退化准则,构建了预测复合材料层合板准静压损伤的有限元模型,深入分析了在准静压载荷下层合板内部各种损伤的演化规律以及层合结构对准静压损伤的影响规律。研究结果表明：在冲击载荷下降之前,基体损伤以及分层破坏的扩展速度相对比较平缓,伴随材料宏观力学性能退化的出现,损伤开始快速扩展；在层合板总厚度不变的情况下,纤维铺层厚度的增加会加大层合板的基体开裂损伤以及分层损伤,同时抑制纤维断裂的发生。最后,在复合材料层合板准静压损伤分析的基础上,进一步对层合结构复合材料在低速冲击下的力学响应进行了动态有限元分析。采用连续损伤力学构建了纤维铺层内的材料模型,运用内聚力模型构造了层间区域模型,将两者相结合建立了层合结构复合材料在低速冲击下的损伤有限元模型。深入分析了在低速冲击载荷下层合板整体的力学响应、分层损伤的演化过程、冲击能量转换耗散过程以及损伤区域分布规律,还讨论了层间界面性能以及纤维铺层角度对复合材料层合板低速冲击损伤的影响。通过分析损伤演化历程发现：冲击载荷首次下降与初始分层损伤的发生具有一致性；分层演化基本遵循先急后缓的规律；相对于法向分层,切向分层是层合结构复合材料受冲击过程中的主要分层模式；层间韧性的提高可以有效地减少低速冲击下的分层损伤面积；同时,在层合板内部设置更多的铺设角度会显著改进冲击损伤阻抗。
参考文献：
[1]. 脆性基复合材料破坏过程细观力学研究[D]. 张亚芳. 东北大学. 2006
[2]. 复合材料层板损伤和短纤维层间增韧的细观力学研究[D]. 赵丽军. 东北大学. 2010
[3]. 基于细观力学方法的耐火材料损伤模型研究[D]. 陈小祥. 武汉科技大学. 2012
[4]. 针刺陶瓷基复合材料应力应变响应模拟及验证[D]. 史剑. 南京航空航天大学. 2011
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