编织复合材料热物理性能快速预测及实验验证

本文提出了基于耦合思想的编织复合材料热物理性能快速预测方法,给出了增强相模型和整体区域模型之间的温度场自由度协调关系、增强相与整体区域叠合后的热学性能匹配方法以及应用于耦合模型的温度场周期性边界条件,应用该方法预测了三维四向编织复合材料的等效热膨胀系数和等效热传导系数。组建了复合材料热膨胀性能测试及温度补偿实验系统,在测试温度范围内该系统的应变偏差小于1×10~(-6)ε,验证了该系统的可靠性,进一步利用该系统验证了新方法的预测精度和可行性。该方法较传统方法显著降低了建模难度,提高了网格精度,减少了计算规模,可实现复合材料热物理性能的快速预测,同时为复合材料热物理性能的优化设计奠定了基础。     

三维编织C/C复合材料界面相各向异性性能数值设计与表征

三维编织C/C复合材料在制备过程时会存在于基体中,纤维上的缺陷以及界面相的异构。从界面相的异构出发,通过计算机来模拟带有界面相异构的三维编织C/C复合材料模型,预测复合材料在具有界面相异构下的结果,为研究具有不同形式微结构的编织复合材料本构关系,预测编织复合材料的弹性力学行为,搞清不同微结构对应的破坏模式和破坏机理提供参考。     

高性能航空复合材料低速冲击损伤分析

针对复合材料层合板冲击损伤模拟问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学分析法,采用基于应变描述的失效判据来判断损伤,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述;并考虑材料的剪切非线性,建立了复合材料层合板在低速冲击作用下的3D非线性连续损伤有限元模型。通过编写VUMAT材料用户子程序可以实现层内各类损伤的判断和演化。使用界面单元模拟层间区域,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。为了更准确模拟试验中层合板的动态响应,有限元模型较为真实地反映了实际的试验条件。有限元模拟结果与试验结果吻合较好,证明了基于该方法建立的有限元模型的有效性。     

混杂纤维布加固木梁受弯性能研究

混杂纤维布加固木结构具有施工简便、增强显著且不改变构件原有尺寸等优点，但同样存在理论计算困难、无法准确评估等问题.为了研究混杂纤维布加固木梁的受弯性能，首先考虑木材节疤作用，结合Hashin失效准则、Hill屈服准则和损伤力学等原理，提出了一种基于弹塑性损伤本构模型的混杂纤维布加固木结构的有限元模拟方法；然后选取性能较优的单向编织混杂纤维布加固木梁进行试验研究，并将试验结果与有限元模拟分析结果进行对比，研究结果表明，提出的有限元模拟方法能够较好地模拟木材和混杂纤维布两种材料的非线性行为，试验结果也验证了有限元模拟方法的准确性.该研究结果可以为混杂纤维布加固木结构构件的计算评估提供科学依据.     

基于ABAQUS的编织纤维层合板结构分析

描述复合材料编织纤维层合板结构的特点,提出了一种利用ABAQUS软件建立复合材料编织纤维层合板结构有限元模型来模拟实验结果的方法与步骤,简单阐述了后处理方法,并通过一组有限元计算实例与实验数据进行的比较验证该方法的准确性。     

数字图像相关技术在多孔气凝胶基复合材料弹性力学常数识别中的应用

采用数字图像相关技术（digital image correlation,DIC）结合有限元模型修正技术（FEMU）,通过2维编织高铝纤维增强多孔气凝胶基复合材料正轴及偏轴拉伸实验,同时识别获得了材料面内多个工程弹性常数.通过力学实验结合有限元数值虚拟实验,研究了识别过程中目标函数构成、优化方法、参数初值、位移场随机误差水平对识别结果和效率的影响.研究表明针对2维编织多孔气凝胶基复合材料,选取DIC实测位移和有限元数值计算位移的方差作为目标函数,通过L-M非线性最小二乘优化方法,计算参数敏感度矩阵,可同时识别获得多个加载面内材料力学性能参数,识别效率高,识别过程对参数初值、位移场随机误差水平不敏感,鲁棒性好.      

颗粒增强复合材料机械性能细观分析模型研究

假设立方体颗粒均匀分布于树脂基体材料中，借助于单元串联、并联和Halpin-Tsai模型算法导出了复合材料杨氏模量的计算公式。利用三维有限元数值方法对立方体和球体颗粒增强复合材料代表性体积元进行了数值模拟，得到了应力分量σ33及von MiseS应力的分布规律，阐述了应力分布和材料破坏之间的联系。研究结果发现，颗粒的几何形状对复合材料杨氏模量的影响甚微，由分析预测模型、有限元数值模拟和实验测量所得到的结果符合良好。     

基于细观力学的混凝土有效弹性性能预测

假定混凝土材料为由骨料和砂浆组成的二相复合材料,建立了混凝土随机骨料模型;按骨料与砂浆基体的弹性性能比值生成骨料较硬和较软两类试件进行有限元数值试验,系统研究了混凝土有效弹性性能预测中多种细观力学方法的优劣及各细观力学方法的适用范围.将细观力学方法预测结果与有限元数值试验得到的结果进行比较,并对这些细观力学方法预测精度及其变化规律进行了讨论.数值试验结果表明,当骨料体积和骨料与砂浆弹性模量比较大时,细观力学方法预测的结果误差较大,需要研究新的方法预测混凝土的有效弹性性能.     

三维编织复合材料威布尔概率分布数学模型

首先分析了三维编织工艺和预制件细观结构,对三维编织复合材料基本的单胞力学模型进行分析,然后运用三细胞模型,对圆形截面三维编织复合材料的工程弹性常数进行理论预测,最后通过数学推导,导出了三维编织复合材料剩余刚度和疲劳寿命的威布尔概率分布函数的表达式,并给出了上述两个分布函数中有关参数的确定方法,为进一步研究三维编织复合材料疲劳寿命试验和寿命预测提供一定的理论依据.     

基于CT技术的沥青混合料细观有限元建模和网格离散研究

借助工业CT扫描技术对于沥青混合料的细观组成进行扫描,并将扫描后的图片通过图形识别处理进而实现了沥青混合料中的胶浆二维几何形状重构和空间分布的确定,并通过设置临界值的方法剔除了可能影响沥青混合料材料细观有限元模型网格划分的骨料和空隙几何信息,最终结合有限元方法实现了半自动的沥青混合料细观尺度上的有限元网格离散化的流程.从而为分析沥青混合料细观力学特性的研究提供了可行的建模方法,也为从细观角度了解沥青混合料的各类力学特性提供了一个有限元模型平台.     

颗粒增强复合材料真实结构有限元建模

提出了一种新的颗粒增强复合材料真实结构有限元建模方法. 对于给定的钨合金扫描电镜照片以及混凝土照片进行复杂图形的边缘提取,进而将该图像矢量化. 将矢量化后的文件导入动力分析有限元软件进行有限元建模,对混凝土在压缩载荷作用下的破坏过程进行了数值仿真. 研究结果表明,该方法可以避免人为建立有限元模型所带来的误差,从而更好地模拟复合材料在不同载荷作用下的力学性能.     

碳纤维/玻璃纤维混编编织复合材料顶盖中横梁三点弯强度分析

根据二维三轴编织复合材料中碳纤维束和玻璃纤维束的空间几何特征,建立了碳纤维/玻璃纤维混编复合材料刚度预报模型;基于Tsai-Wu准则建立了该二维三轴编织复合材料的强度预报模型,提出了针对编织复合材料结构渐进失效分析的一般流程;设计了相应的材料试验,验证了理论模型的有效性;最后,对使用了该材料的顶盖中横梁进行了三点弯强度分析。结果表明横梁容易发生破坏的位置集中在接触位置和棱角上。     

土工格栅加筋砂土的二维等价有限元解析方法

通过试验以及解析结果的分析与比较，针对土工格栅加筋砂土提出了一种简单的二维等价有限元解析方法．有限元解析中砂土的本构关系采用了应变硬软化弹塑性模型，同时也考虑了砂土强度的各向异性以及应力状态的依存性，土工格栅加筋材则简化为板状弹性材料．通过对一组实验结果以及解析结果的分析，合理地得出了土工格栅的配置密度与等价有限解析中加筋材与砂土接触面摩擦角的定量关系．结果表明，在土工格栅的配置形状以及刚性已知的情况下，利用提案的二维等价有限元方法可以较为精确地模拟加筋土的变形与强度特性。     

Schr(o)dinger方程各向异性有限元超收敛分析

讨论了在半离散格式下的各向异性双线性元对Schr(o)dinger方程的逼近.首先利用该单元的特殊性质,在没有利用对网格正则性和拟一致假设的条件下得到了与传统方法相同的超逼近性质,然后基于插值后处理的技巧,构造出合适的插值算子,得到了整体超收敛的结果.     

三维五向管状编织物的几何建模及纤维体积百分含量预测

基于编织物的对称性,建立了简化单胞几何模型来描述三维五向圆型编织物的几何特性。通过对三维五向圆型编织物的结构单胞形态及单胞的分布方式进行研究,推导了单胞几何结构与编织工艺参数之间的理论公式,详细分析了各个参数之间的变化关系。并通过预测单胞的纤维体积百分含量,研究了编织工艺对该编织复合材料纱线体积百分含量的影响。     

TiC颗粒增强钛基复合材料宏细观力学性能分析

结合均匀化理论与不动点迭代法,提出了均匀化方法用于解决周期性多尺度问题的有限元框架,建立了具有典型微观结构的TiC颗粒增强钛基复合材料的单胞有限元模型.从宏观尺度出发采用不动点迭代方法给出了微观尺度下单胞有限元的位移边界条件,对其拉伸力学性能进行了数值模拟研究.给出了TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下的宏观等效力学性能,并与实验结果进行对比,验证了该方法的有效性和可靠性.     

Impact behaviors of poly-lactic acid based biocomposite reinforced with unidirectional high-strength magnesium alloy wires

A novel poly-lactic acid(PLA) based biocomposite reinforced with unidirectional high-strength magnesium alloy(Mg-alloy) wires for bone fracture fixation was fabricated by hot-compressing process. The macroscopical and microscopical impact behaviors of the biocomposite were investigated using impact experiments and finite element method(FEM), respectively. The results indicated that the biocomposite had favorable impact properties due to the plastic deformation behavior of Mg-alloy wires during impact process. While the content of Mg-alloy wires reached20 vol%, the impact strength of the composite could achieve 93.4 k J/m2, which is approximate 16 times larger than that of pure PLA fabricated by the same process. According to FEM simulation results, the complete destruction life of the composites during impact process increased with increasing volume fraction of Mg-alloy wires, indicating a high impact-bearing ability of the composite for bone fracture fixation.Simultaneously, the energy absorbed by Mg-alloy wires in the composites had a corresponding increase. In addition, it denoted that the impact properties of the composites are sensitive to the initial properties of the matrix material.     

平面小变形弹塑性有限元求解断裂问题的研究

文章介绍了传统的用裂尖塑性修正求解平面 I型裂纹等效应力强度因子的方法。在此基础上 ,提出一种计算等效应力强度因子的数值方法。对有限元数值结果与传统方法的迭代结果进行了比较 ,证实该法适合于各类平面断裂问题。同时分析裂尖小范围塑性变形对远裂尖区域的影响。研究结果表明 ,由于弹塑性断裂问题的特殊性 ,在裂尖必须采用稠密网格 ,而其网格的自动生成也直接关系到该法的实际使用价值     

碳纤维增强复合材料编织网混凝土梁试验研究

将碳纤维增强复合材料（CFRP）编织成正交网格,并经环氧树脂胶固化形成受力骨架,代替钢筋混凝土梁中的钢筋,以解决普通钢筋混凝土中钢筋易锈蚀的问题。通过对3根不同配筋率的CFRP编织网混凝土梁的弯曲性能试验,观察在各级荷载作用下构件的应变变化、挠度发展、破坏过程及破坏特征,对其受弯承载力及抗弯刚度等弯曲性能进行分析。试验结果表明：CFRP编织网与混凝土有良好的粘结性能,二者协同受力性能良好;破坏前,试件有明显的塑性变形,有明显的破坏预兆,延性性能较好;随着配筋率的提升,构件承载能力、抗弯刚度较大幅度提升。试件破坏时,CFRP编织网纵向受力筋均未达到其抗拉强度,故在以后的试验中可对编织网的纵向受力筋施加一定的预应力,以提高CFRP编织网的利用率。     

一种平面问题的H型有限元

提出了一种平面问题的Ｈ型有限元计算方法．在Ｈ型网格细分时采用了两类评估误差因子，使应力集中区有更高的计算精度．并以应力分散程度来合理评估有限元解的精度．２个典型数例表明了本方法的有效性和可靠性．