金属基复合材料纤维断裂脱落后的应力分析

通过对长纤维增强的金属基复合材料纤维脱落后复合材料应力场的分析得到了应力分布的精确解,讨论了循环热/机械载荷对复合材料应力场的影响,并针对Al基Be纤维增强的复合材料中外载荷对纤维与基体间的脱落长度的影响做了定性分析,认为当外载荷与材料参数不发生变化时,纤维与基体将不会产生继续脱落,进而破坏形式将会发生变化,在整个分析过程中纤维作为弹性体,纤维与基体界面的塑性变形采用了理想弹塑性模型.得到结论为以后继续研究金属基复合材料的疲劳特性奠定了基础.     

长纤维复合材料非线性细观模型

本文基于Huang细观理论弹性模型,建立桥联参数与基体等效塑性应变的函数关系式,从基体塑性及塑性应变改变复合材料应力场分布两个方面研究复合材料非线性。从而,细观力学桥联模型能够分析基体塑性变形对基体与纤维协同工作的影响。本方法运用传统塑性理论计算基体的塑性变形,以改进的桥联矩阵考虑分配基体和纤维应力,计算过程相对简明。最后,本文用该方法分析了单向复合材料剪切性能,理论计算值与实验结果吻合较好。     

碳纤维增强铅基复合材料的断裂分析

本文旨在通过碳纤维增强铅基复合材料的断裂过程分析,探索软金属基体经纤维增强后其复合材料的断裂行为。作者选择了纯Pb、Pb-Sn10％、Pb-Sn5％-Sb17％三种不同成份的合金作为基体制成复合材料,拉断后对断口进行了宏观和扫描电镜观察,结果表明:基体本身的机械性能、纤维与基体间界面的结合强弱及纤维在基体中分布均匀程度均影响铅基复合材料的断裂过程,从而影响复合材料的拉伸强度。因此文章指出,软金属基复合材料欲获得高的断裂强度,应选择强韧性有一定配合的基体,并具有适当的基体与纤维的界面结合强度,纤维在基体中的均匀分布也应设法保证。     

SiC_f/Al模型复合材料界面微区残余应力

实验测定界面附近残余应力的分布有利于深入研究金属基复合材料变形和断裂行为的微观机制 ,对制备综合性能良好的复合材料具有指导作用 .采用束斑直径为 30 μm的微小 X射线束 ,测定了单根 Si C连续纤维及连续 Si C纤维束增强纯 Al模型复合材料中 Si C纤维附近基体中的周向和径向残余应力分布 ,并将测量结果与有限元模拟结果进行了比较 .     

计及基体刚度的单向复合材料应力集中分析

提出了一种计及基体拉伸刚度效应的修正剪滞模型，用于研究单向纤维增强复合材料中由于纤维或基体破坏所引起的应力重分布问题。文中定量讨论了纤维／基体拉伸刚度比及纤维体积分数对断口邻近的纤维和基体的应力集中的影响。证实了当基体拉伸模量较低（如树脂基复合材料）及纤维体积分数较大时，可以忽略基体刚度对应力集中的影响；而对于其它情形（如陶瓷、金属基复合材料），就不可忽略基体刚度的影响。     

SiCf／Al模型复合材料界面微区残余应力

实验测定界面附近残余应力的分布有利于深入研究金属基复合材料变形和断裂行为的微观机制,对制备综合性能良好的复合材料具有指导作用。采用束斑直径为30μm的微小X射线束,测定了单根SiC连续纤维及连续SiC纤维束增强纯Al模型复合材料中SiC纤维附近基体中的周向和径向残余应力分布,并将测量结果与有限元模拟结果进行了比较。     

碳纤维增强锌基合金复合材料的断裂特性分析(英文)

碳纤维增强锌基合金复合材料已经用液态渗透法制造出来了,并且进行了拉伸和冲击试验。本文着重对拉伸和冲击断口用扫描电镜和电子探针进行了分析。结果说明纤维与锌或锌合金的界面结合很弱,以致在它们的断口上有大量的纤维拔出。这种复合材料的失效是受基体的解理断裂控制的,所以基体的韧性及纤维和基体的结合力影响复合材料的断裂特性。     

复合材料损伤与断裂力学研究

对纤维增强聚合物基复合材料进行了损伤与断裂力学分析,建立了材料的模型,采用基体横向裂纹的剪切迟滞分析获得较好的基体开裂的定量分析结果;采用边界配置法计算各向异性材料裂纹体的应力强度因子,建立裂纹的扩展判据,并对纤维断裂进行了弹性分析.针对玻璃纤维/酚醛复合材料层板进行了理论和实验分析,得到材质裂纹密度与刚度退化的相关曲线,实验结果验证了理论分析结果的正确性;得到应力强度因子S随裂纹尺度的变化曲线和对纤维断裂和脱胶引起的刚度退化的计算结果.     

细观参数对纤维增强金属基复合材料宏细观力学性能的影响

B纤维、SiC纤维增强Al基及Mg基复合材料的微观参数对宏观性能具有重要影响.基于细观力学理论,利用代表性体积元(RVE)建立极坐标复合材料宏细观弹塑性本构模型,采用有限元法研究了Al基和Mg基复合材料的基体材料、纤维种类、纤维体积分数对复合材料整体力学性能的影响.研究结果表明:基体材料遵循自身弹塑性变化规律并引起复合材料整体的弹塑性变形,纤维保持其线弹性性能,在拉伸过程起主要承载作用;基体材料及纤维体积分数对复合材料力学性能的影响效应更强;利用宏细观本构模型计算获得的复合材料应力值与试验值接近,误差不超过2.5%.     

石英纤维复合材料的磨削加工性能研究

为了探究石英纤维复合材料在磨削过程中的损伤演变规律及磨削性能,本文将2.5维石英纤维机织复合材料作为研究对象,对材料各个组分分别建模构成细观几何模型.通过使用SolidWorks中二次开发中Rnd函数生成多个随机平面将磨粒切割成多面体,利用ABAQUS有限元分析软件首先对复合材料细观模型进行三维单磨粒磨削仿真,再分别从不同纤维方向进行基于三相微观结构的二维磨削仿真,分析了不同的纤维方向对加工表面质量的影响.通过进行磨削实验观察材料表面形貌,利用声发射技术对材料损伤实时监测并与仿真对比,结果表明复合材料断裂起始主要是由基体最大主应力和界面强度主导的,产生的裂纹沿着界面扩展,纤维束于不同磨削方向加工时由于受到磨粒剪切、弯曲、挤压及耕犁等不同的综合作用,断头呈不同的状态,纤维受剪切作用的加工表面质量比纤维受拉压发生断裂后的表面质量较好.     

混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析

采用平直型超细钢纤维与压痕型中长钢纤维混杂,系统研究了混杂比例对超高性能水泥基复合材料(UHPCC)流动性能、力学行为的影响,以及纤维外形对界面粘结力的影响.研究表明,随压痕型钢纤维掺入量增加,新拌浆体的流动度下降;在纤维体积率一定时,2种纤维等比例混杂,材料的抗压、拉伸、弯曲强度与弯曲韧性等力学性能为最佳;当水胶比固定时,压痕钢纤维与基体界面粘结力大于平直型超细钢纤维.试验还表明,2种纤维混杂在不同结构、不同尺度和不同时间层次对抑制裂缝的生成和扩展分别发挥作用,两者协同作用使材料总体力学性能显著提升.     

钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土受压细观数值模拟

利用ABAQUS软件建立了钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土三维细观数值模型,对其轴心受压过程进行了数值模拟。通过对比轴心受压试验结果,验证了模型的合理性。在此基础上,拓展分析纤维掺量、长径比等参数对超高性能混凝土受压特性的影响,进一步分析压力作用下纤维增强超高性能混凝土机理。结果表明：随着钢纤维体积掺量增加,超高性能混凝土损伤发展变缓,单轴受压峰值强度略有提高,峰后延性明显增加;钢纤维长径比对超高性能混凝土受压应力-应变曲线的影响较小,但是更长的纤维更好地发挥了阻裂作用;在超高性能混凝土单轴受压过程中,钢纤维在峰值点前主要发挥骨架作用,在峰值点后主要发挥阻裂作用。     

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．     

纤维方位角对玻纤复合材料破坏机理的影响研究

利用扫描电子显微镜（SEM）对不同纤维方位角的玻纤增强树脂复合材料（GFRP）在单拉载荷下的破坏过程进行了实时观测．在桥联模型基础上，将纤维剪应力和基体正应力定义为界面的应力状态，对概化的GFRP材料单元进行了定量分析，得到了单拉载荷下纤维体积分数为27．5％的单元起裂时的应力状态，并通过最大应力强度准则确定了导致起裂的应力分量．综合SEM图片中裂纹形态和断口形貌，分析了不同纤维方位角的GFRP材料裂纹萌生和裂纹扩展的机理．分析结果表明，随着纤维方位角增大，导致GFRP材料裂纹萌生的应力分量由基体最大主应力演化为界面剪应力；裂纹扩展路径由最大主应力控制的基体开裂演化为最大剪应力控制的界面开裂．     

回收轮胎聚合物纤维混凝土性能试验研究

为研究回收橡胶轮胎聚合物纤维(RTPF)对混凝土工作性能和基本力学性能的影响,对素混凝土(F0)、RTPF和聚丙烯纤维(PPF)混凝土进行拌合物性能测试、基本力学性能试验和纤维作用机理分析.结果表明:含气量随RTPF掺量增大而增大,且相同体积掺量(0.1%)下PPF的引气能力大于RTPF;坍落度随RTPF纤维掺量增大而降低,相同体积掺量(0.1%)下PPF比RTPF混凝土坍落度低;混凝土抗压强度随RTPF纤维掺量增大而降低;RTPF混凝土劈裂抗拉强度和抗折强度均出现了先升高后降低的趋势,RTPF体积掺量0.2%为最优纤维掺量.SEM测试表明,混凝土破坏时RTPF被拔出基体或发生拉断破坏,RTPF可有效提供桥连作用.研究表明RTPF可改善混凝土基本力学性能,并在一定掺量范围内可有效替代PPF.     

混杂钢纤维水泥基材料的力学行为

研究了微细钢纤维以及中等直径钢纤维混杂增强水泥基材料的力学行为．结果表明，在纤维体积分数一定的情况下，混杂钢纤维体系对水泥基材料抗折强度的改善作用可优于单一直径钢纤维，而且，不同直径钢纤维混杂还可显著提高水泥基材料的断裂能和弯曲韧性，普通纤维增强水泥基材料断裂破坏时裂缝为沿切口开展的单一贯穿裂缝，而混杂钢纤维增强的试件破坏时切口附近呈现多缝开裂的现象，采用适当体积比的两种尺度钢纤维混杂增强基体，制备出了综合力学性能优越的混杂钢纤维增强水泥基材料。     

PET废纤/竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料的力学性能与吸水性能

采用平板模压成型方法制备聚对苯二甲酸乙二醇酯是(PET)废纤/竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料,研究纤维梳理方式及不同质量比对复合材料力学性能与吸水性能的影响。结果表明:相同纤维比例、不同纤维梳理方式的复合材料拉伸强度无显著差异;纤维混合梳理的复合材料弯曲强度和弯曲模量均显著高于分别梳理的复合材料;纤维分别梳理的复合材料耐水性能优于纤维混合梳理的复合材料。动态机械热分析显示:复合材料储能模量随竹原纤维含量增加而增加,PET纤维含量的增加使复合材料阻尼效应增加。复合材料吸水动力学表明:水分在竹原纤维比例高且分别梳理的复合材料内部的扩散符合Fick定律;而水分在竹原纤维比例低且纤维混合梳理的复合材料内部的扩散行为不符合Fick定律。     

单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量预测

建立含单纤维和基体的双圆柱复合材料细观力学模型,采用基体剪应力的Lame形式推导得到纤维轴向应力计算方程和纤维长度影响因子λ的表达式。依据纤维长度影响因子和混合定律得到了单向短纤维增强复合材料纵向弹性模量的计算公式,探讨纤维长径比和体积分数等细观结构参数对材料纵向弹性模量的影响。将计算公式得到的材料纵向弹性模量与Halpin-Tsai和Darlnigton方程得到的结果与实验值进行了对比。结果表明,计算公式预测值更接近于实验值。     

硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的断口分析

利用SEM观察了硅酸铝短纤维/铝合金复合材料的拉伸断口,发现陶瓷增强相主要有三种破坏形式;当纤维沿拉伸方向的有效长径比超过临界值时纤维以断裂破坏为主;(近似)垂直于拉伸载荷的纤维因承受横向拉伸导致界面或纤维开裂而发生脱附;机械损伤及不均匀热收缩在陶瓷颗粒内产生的应力导致大颗粒发生开裂.纤维断裂能有效提高复合材料的强度;纤维脱附及颗粒开裂对材料的强度没有贡献.