横向压缩载荷下短纤维复合材料细观力学分析

建立含纤维、界面相和基体的短纤维增强弹性体复合材料在横向压缩载荷作用下的单纤维细观力学模型,得到了单元体内部的应力分布函数。以2种不同纤维增强弹性体复合材料为对象,研究横向压缩载荷作用下单纤维模型内部的应力分布状况。结果表明:单元体内部应力分布是不均匀的,其大小与复合材料不均匀程度及纤维体积分数有关。应力分布的不均匀性随材料的不均匀程度的增大而增大;随着纤维体积分数的增加,压应力最大值逐渐增大,而拉应力最大值先增大后减小。     

大模量比短纤维增强复合材料应力分布预测

提出了适用于纤维模量远大于基体模量时短纤维增强复合材料(SFRC)轴向应力分布的预测公式。建立了SFRC的轴对称单胞模型,对不同模量比下SFRC的纤维轴向应力分布进行了数值计算。通过与现有理论模型得到的应力分布对比表明,当纤维和基体弹性模量比小于37时,现有理论模型得到的纤维轴向应力和界面剪切应力均与有限元分析结果相吻合;当模量比大于37时,现有理论模型得到的界面剪应力与有限元分析结果基本保持一致,但是纤维轴向应力与有限元分析结果相差较大。与Hsueh模型相比,提出的预测公式与实验结果更为接近。     

基于复合材料的橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测

为对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预估,分别建立单夹杂复合材料两层嵌入式模型和多步骤多相细观力学模型,得到橡胶颗粒沥青混合料弹性模量预测方法,对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量进行预测;将弹性模量预测结果与实测结果进行对比分析,研究橡胶颗粒沥青混合料弹性模量影响因素,并对低温条件下弹性衰减进行分析.研究结果表明:该细观力学模型方法是有效的和可靠的,可用于预先评估橡胶颗粒沥青路面在低温下的力学性能和除冰能力;沥青胶浆的弹性模量对橡胶颗粒沥青混合料弹性模量的影响较大,且随沥青胶浆弹性模量的增大而增大;橡胶颗粒用量变化对混合料弹性模量的影响比较大,随着橡胶颗粒用量的增加,混合料弹性模量逐渐减小;在低温下,混合料的弹性模量显著增大,橡胶颗粒沥青路面的除冰效果将大大减弱.     

短纤维增强橡胶密封复合材料纵向拉伸模量的预测方法

摘要： 建立了含界面相、纤维和基体的短纤维增强橡胶（SFRR）密封复合材料纵向拉伸模量的预测模型,采用Mori Tanaka方法得到了SFRR的纵向拉伸模量的预测公式,将其计算结果与试验数据进行对比;同时,探讨了纤维体积分数、界面相的厚度和模量对复合材料纵向拉伸模量的影响.结果表明：纵向拉伸模量预测模型的计算值与试验值较吻合,其最大相对误差为11.2%;SFRR的纵向拉伸模量随着纤维体积分数的增加而增大;界面相模量对SFRR纵向拉伸模量的影响显著,当界面相模量小于基体模量时,SFRR的纵向拉伸模量随着界面相厚度的增加而减小;当界面相模量大于基体模量时,SFRR的纵向模量随着界面相厚度的增加而增大.     

颗粒增强铝基复合材料弹性模量的影响因素

以SiCp／6066A1复合材料为例,计算和分析了界面性能参数（界面／基体模量比、界面泊松比和界面体积含量）及细观结构参数（颗粒形状、排列方式和尺寸变化方式）对颗粒增强铝基复合材料弹性模量的影响．结果表明：组分性能与界面性能对复合材料的弹性模量影响显著,细观结构的影响不明显,在工程应用中可以忽略细观结构的影响．在保证复合材料延伸率的前提下,最有效增加复合材料弹性模量的途径是改善复合材料的界面结合情况．当界面模量为基体模量的20％～30％时即可获得满意的增强效果．     

单向短纤维复合材料裂纹板的边界元法

从板的经典理论出发，导出了两对边简支，另两对边自由的正交异性矩形板，在自由边上受单位集中力矩作用时的Ｇｒｅｅｎ函数。以此作为基本解，应用边界积分法求得了两对边简支，另两对边自由，在垂直于简支边的对称线上有穿透裂纹的正交异性板在该对称线上的弯矩。     

形状记忆合金短纤维增强复合材料的热相变行为

基于Eshelby等效夹杂模型和Mori—Tanaka的场平均法，考虑到形状记忆合金材料的强物理非线性和基体材料的弹塑性，发展了增量型的等效夹杂模型．基于该模型，探讨了形状记忆合金短纤维增强弹塑性基复合材料在应力自由状态下的热相变特性，特别研究了基体材料的塑性对复合材料热相变特性的影响．计算结果表明：当基体进入屈服阶段后，在复合材料卸载过程中出现残余应力；弹塑性基体复合材料的特征相变温度偏移随纤维体积分数的变化规律与弹性基体复合材料的变化规律不同，其热相变特性有显著的区别．     

复合材料力学性能细观预测

利用细观力学平均应力场理论和割线模量，本给出了分析复合材料弹塑性能的统一模型，并详细地分析了单向增强，平面，空间任意取向，叠层等复合材料，弹性，屈服，硬化性能与微观结构的关系，模型预测结果与实验值吻合较好。     

短纤维端部形状对其增强复合材料应力分布的影响

采用ABAQUS软件分析了不同纤维端部形状下碳纤维增强树脂基复合材料的纤维端部应力分布。考虑的纤维端部形状包括平面、半椭球面、楔形面。结果表明:当长径比≥0.75时,半椭球面纤维端部复合材料力学性能优于平面和楔形纤维端部复合材料。进一步研究了界面相厚度、界面相弹性模量对纤维端部轴向应力和剪应力的影响。结果表明:轴向应力σB随界面相弹性模量的增加逐渐减小,界面相弹性模量较小时(E≤4 GPa左右),剪应力τD随着界面相弹性模量的增加而迅速增加,此后τD基本保持不变;当E≥3 GPa左右时,轴向应力σB随界面相厚度的增加逐渐减小。在所研究的界面相厚度(0.1、0.2、0.3μm)范围内,τD基本不随界面相厚度的变化而改变。所以界面相弹性模量应尽可能小于并接近于树脂基体的弹性模量(4 GPa),并适当增加界面相厚度有利于抑制界面脱粘破坏。     

一种复合材料弹性模量的计算方法

利用动态弹性模量测试仪测试采用粉末冶金和喷射沉积方法制备的SiC颗粒增强6066／SIC复合材料的弹性模量Ec.研究结果表明：对于粉末冶金方法制备的6066／SIC复合材料，SiC体积分数φ在0～40％时，E与9之间的关系近似为线性关系，数值拟合后可以表示为：Ec=69．8＋1．795φ；而对于喷射沉积制备的6066／SIC复合材料，当SiC体积分数在9％～15％时，E与φ之间关系为：Ec=69．8＋1．4029φ；为计算其他体系复合材料的弹性N模量，引入J因子，利用公式Ec（J）=[Σi=1 N（φiEi^j）]^1/J可以预测各种不同复合材料体系的弹性模量。对于粉末冶金制备的SiC颗粒增强6066／SIC复合材料体系，J取0．10。     

基于细观力学模型水泥浆体弹性力学性质预测

应用细观力学理论及三维微观水化模型,建立了水泥浆体的理想化细观力学模型.在该模型中:首先将水泥浆体中包裹着水化产物的未水化水泥颗粒视为第1层次的等效介质,利用双层夹杂自洽理论求出弹性性质;再将含水的孔洞视为嵌入在第1层次等效介质中的夹杂,利用自洽理论给出水泥浆体的最终弹性性质;最后分析了水泥浆体在不同水灰比情况下弹性性质随水化程度的演化进程.试验结果证明该模型可以较好地预测水泥浆体的弹性力学性质.     

复合材料等效弹性模量预测方法的改进

进一步探讨Halpain-Tsai修正混合率计算模型及其原理,并对其经验拟合参数q进行理论识别,指出了该参数的力学特征,认为q实质上就是复合材料的界面剪切弹性模量,给出理论证明和几何解释,对比了理论预测值与聚合物混凝土的实验结果.结果表明,利用改进后的预测模型获得的预测值与实验值吻合较好.     

土壤-植物根系复合体弹性模量的理论研究

为探索植物根系与土体间相互作用的特性,基于土力学、复合材料力学的基本理论,分析了土壤-植物根系复合材料的性能,借鉴于矩形模型理论的分析方法,并在该模型基础上作了一些简化和假设,详细推导出了土壤-植物根系复合体的弹性模量的理论计算公式,推导过程中综合考虑了应力、应变同时存在的情况,该求解值能够真实完整地代表实际值,以此来推动土壤-植物根系复合体工程特性的深入研究,为工程绿化、植被护坡、边坡稳定等方面的应用提供理论基础。     

Hashin-Shtrikman弹性模量边界的转换

当孔隙内介质为流体时,用经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型估算线弹性各向同性双相孔隙介质整体弹性模量将存在问题。首先基于整体介质与宏观各向同性组分满足的应力和应变组分关系,推导出整体介质弹性矩阵与组分弹性矩阵之间的显式关系,联合其应变关系,定义和分析了对应的两个系数张量,并据此导出了相关场变量位于统一坐标系时整体介质体积模量与剪切模量的关系;然后将经典的Hashin-Shtrikman弹性模量边界模型与上述关系式结合,得到4个新的整体介质弹性模量的估算公式,再与原始的Hashin-Shtrikman弹性模量边界进行了比较,最后针对饱和水纯净砂岩介质进行了试算。结果显示,孔隙介质整体与组分的应力应变、弹性矩阵以及弹性模量之间存在组分加权关系;新的弹性模量表达式计算值在组分弹性模量满足一定条件下位于原始的Hashin-Shtrikman边界内,这在一定程度上弥补了经典Hashin-Shtrikman边界模型对于整体弹性模量特别是孔隙度小于20%时剪切模量估算的不足。     

饱和混凝土的弹性模量预测

为了研究饱和混凝土中的孔隙水压力对混凝土力学性能的影响,根据饱和混凝土的微观结构建立了研究饱和混凝土力学性能的理论模型,利用夹杂、等效弹性模量的思想和Mori-Tanaka方法研究了饱和状态时孔隙水对混凝土弹性模量的影响。该模型考虑了水影响下的水泥后期水化和孔隙水的粘滞力对饱和混凝土弹性模量的影响。将该模型与Yaman等人的试验结果进行了对比,结果表明该模型可以预测孔隙水含量对混凝土弹性模量的影响,且该模型对饱和混凝土的弹性模量的预测也较为准确。     

基于BP神经网络的页岩静弹性模量预测研究

页岩的静弹性模量是页岩油气资源勘探开发整个过程的重要参数,现阶段页岩静弹性模量的预测往往是先使用岩芯纵波时差及密度计算出动态弹性模量,再寻找动、静态弹性模量之间的关系。岩石矿物组成的差异常常导致常规思路得到的动、静态弹性模量的相关性较差,预测结果难以满足工程需求。为完成对研究区块岩芯的静弹性模量预测研究,首先对岩芯进行密度及纵波时差的测量;而后运用全岩矿物分析、黏土矿物分析及三轴压缩试验的方法对岩芯静弹性模量进行对比分析;并由三轴压缩试获取岩芯静弹性模量。按输入变量的不同建立并训练了三个BP神经网络预测系统;并对三个预测系统的应用效果加以对比分析。分析结果表明:只以岩芯密度和纵波时差为输入变量的BP神经网络的预测效果较差;以岩芯密度、纵波时差、石英含量及伊利石含量为输入变量时的BP神经网络预测效果较好,以岩芯密度、纵波时差、石英含量、方解石含量、伊利石含量及伊/蒙混层含量为输入变量时的BP网络预测效果最好。     

弹性模量实验中测量系统的改进

针对现有弹性模量测量系统操作复杂，读数困难等问题，采用半导体激光器改进测量系统，使操作变得简单、容易。     

Study on elastic modulus of individual ferritin

The mechanical property of individual ferritin was measured with force-volume mapping (FV) under contact mode of atomic force microscopy (AFM) in this work. The elastic modulus of individual ferritin was estimated by the Hertz mode. The estimated value of the elastic modulus of individual ferritin was about 250－800 MPa under a small deformation. In addition, the elastic modulus of individual ferritin was compared with that of the colloid gold nanoparticle.