考虑界面层效应的纤维增强陶瓷材料的力学模型

在弹性圆筒理论和剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型。据此对纤维增强陶瓷复合材料完成了Ｉ型加载条件下的应力分析，它有以下特点：①引进界面层，各项分析所得结果均含有界面层材料性能及几何参量等信息，因而能更好地用于材料设计与界面调控工艺；②不仅给出界面剪应力，还可给出界面正应力（或剥离力），因而更适用于分析界面分离，界面脱粘，基体开裂临界应力和纤维桥联增韧效应     

纤维弱节的力学特征与判定

纤维弱节是造成纤维力学性能退化和纤维品质下降的主要原因。这里采用单纤维拉伸和形态轮廓观察结合的方法，对羊电纤维弱节的力学行为进行表征。提出了用纤维细节处的平均断裂应力σ^-和断裂应变ε^-，作为纤维弱节的判断的依据。并对羊电的细节断裂、弱节断裂，非弱节(正常)断裂的概率作了实到和理论计算，其结果分别为印％、奶％和印％。这征明作者采用的单纤维性能分析仪(SIFAN)法和显微图像加单纤维强力仪(OM XQ)法的实用性与有效性。     

单纤维段试验中载荷传递机理的微观力学分析

提出了一种新的、单纤维段埋入法(SFFM)试验中载荷传递机理的微观力学模型。当纤维/树脂界面所受到的剪切应力超过了界面的粘结剪切强度后,界面将发生脱粘,并且脱粘裂纹将沿着界面扩展。以Weibull模型来模拟纤维轴向拉伸强度的统计分布。讨论了纤维轴向拉伸强度以及界面粘结剪切强度对复合材料各组分内部应力分布的影响。认为在给定复合材料各相的弹性常数和几何参数后,根据不同的纤维轴向拉伸强度以及界面性能(包括界面粘结剪切强度、界面的摩擦系数和基体的径向压力),可以将单纤维段试验中纤维/树脂界面的状态清楚地分为三类:1)完全粘结界面;2)部分粘结界面;3)完全摩擦界面。给出了单纤维段试验过程中界面处于上述三种状态下时,所必须满足的一些条件。最后,还给出了极限纤维段长度的一个合理的定义,并说明该长度是由粘结纤维长度和脱粘纤维段长度所构成。     

极细羊毛纤维的结构与性能

对线密度为1.37和1.62dtex的澳大利亚极细羊毛纤维的表观形态、化学组分、表面摩擦性能、拉伸性能、吸湿性能进行测试,并与5.25dtex的中细羊毛纤维进行了对比分析.结果表明:极细羊毛纤维表面比较光滑,鳞片多呈环形水平状,鳞片度高、鳞片翘角小、径高比小;其红外光谱在指纹区的吸收峰强度与中细羊毛纤维相比具有显著的差异性;动、静摩擦因数较小,差微摩擦效应较大;纤维的断裂强度、断裂伸长率、断裂功均较小,而回潮率较大.     

星型尼龙6纤维的力学性能研究

采用熔融挤出的方法制备尼龙6星型聚合物纤维，对所得纤维的强度、伸长、模量和回弹率进行测试，并考察了星型尼龙6的应力松弛，结果表明，随三元酸含量减少，纤维强度逐步增加，但三元 酸含量减少到一定程度，强度基本保持一定值；三元酸含量较高的星型尼龙6纤维弹性比线型链高一些，当三元酸含量进一步提高时，弹性又能所下降；三元酸含量较高的纤维，应力松弛较慢。     

热/机械载荷作用下金属基复合材料多纤维断裂的应力场

作为研究金属基复合材料破坏特性的前期工作,主要讨论了在热/机械载荷作用下多纤维断裂的复合材料应力场.运用影响函数加权叠加方法求解复合材料多纤维断裂时的应力场,并利用了已得出的结论:断裂纤维只对附近纤维与基体的应力有影响.可将影响函数仅建立在与断裂纤维紧邻的纤维和基体范围内.根据以上结论,对求解多纤维断裂问题的模型进行简化,基于剪切滞后模型理论,控制微分方程建立在受纤维断裂影响的纤维和基体范围内,大大降低求解的计算量,把金属基复合材料的应力场与纤维和基体体积分数以及纤维-基体界面特性定量地联系起来.     

双层高阶组合梁的界面摩擦效应

为了更真实地描述组合梁的力学行为,提出了一种同时考虑梁的轴向和横向高阶变形的运动学假定.基于提出的高阶梁模型,得到了考虑界面不可穿透性、界面摩擦效应和非线性剪力键的双层组合梁模型静力分析的修正能量驻值原理.利用修正能量驻值原理,推导了该非线性组合梁模型的混合型高阶有限单元.在线性假定范围内对比分析了基于高阶梁理论、平面应力模型和Timoshenko梁理论的组合梁有限元应力分析,验证了高阶梁模型的可靠性;考察了界面不可穿透性与界面摩擦效应对组合梁静力行为的影响.数值结果表明:提出的高阶模型较经典梁模型更逼近于平面应力模型;界面不可穿透性与摩擦对组合梁静力行为具有显著影响.     

织物起球与纤维力学性能的关系

在影响织物起球性能的各种纤维性能中，除纤维的几何形态（线密度、截面形状、长度等）之外，经过测试研究分析筛选出来的主要影响因素是纤维的重复弯曲疲劳强度、重复扭转疲劳强度、拉伸断裂相对强度、拉伸断裂伸长率和拉伸初始模量．后者与织物的手感也有很密切的关系．本文研制了学纤维重复弯曲疲劳测试仪、单纤维重复扭转疲劳测试仪，优选了它们的测试条件参数，先后测试了绵羊毛，山羊绒、马海毛等纤维和２０余种化学纤维的性能，并经过优选工艺，对由１３种纤维纯纺或混纺生产的７种毛型梭织物进行了起球规律的测试、试穿和研究，发现在研究中织物的穿着起球效果与客观测试中随摩擦次数球粒数变化的曲线下积分值相关最密切．最后对纤维五种力学性能与织物起球曲线下积分值进行了主成分析和多元回归分析，获得了由纤维力学性能评价织物起球性能的预测方程式．     

西藏山羊绒机械性能研究

对西藏那曲、四川德格两个点的西藏山革成年公、母羊绒纤维的机械性能进行了较系统的比较研究。结果表明:成年公、母羊绒纤维的断裂强力、弹性模量、断裂功、定伸长下的强力值、弹性伸长百分率和弹性功恢复率等指标西藏点均高于四川点,屈服点应变和剩余变形百分率则四川点均高于西藏点,但两地区间和地区内同一指标间差异均不显著(P>0.05);成年公、母羊绒纤维的断裂强度、断裂伸长百分率、屈服点应力、断裂功比和摩擦效应等指标,除四川点母羊绒纤维的断裂伸长百分率极显著高于西藏点母羊(P<0.01)外,其余各指标有不规律变化,但两地区间和地区内同一指标间差异均不显著(P>0.05)。     

纤维混凝土界面应力传递机制的三维弹性分析

采用Love位移函数法分析了纤维拔出问题中粘结段的界面应力传递机制。建模时避免了传统模型不精确的假设,对整个粘结段直接进行三维弹性分析,获得了收敛性较好的解。分析结果表明,纤维和基体的应力及位移均为变量,且在界面上存在法向应力突变现象。将计算结果与传统模型的解进行对比,发现两者在界面剪应力和截面平均拉应力分布上也存在较明显差别。该模型满足所有平衡条件、连续条件和大部分边界条件,可用于检验纤维拔出模型的精度和微观力学分析。     

维尼纶纤维增强石膏基复合材料力学性能研究

研究了石膏基复合材料的结构、耐水机理和物理力学性能.结合弯曲载荷变形曲线,分析了维尼纶纤维增强石膏基复合材料的断裂机理;利用扫描电子显微镜,分析了复合材料界面性能.结果表明:石膏基复合材料实现了单一的结晶到晶胶共生的结构转变,材料的强度和耐水性得到改善;维尼纶纤维能提高复合材料的抗折强度、断裂能、断裂韧性和冲击韧度;维尼纶纤维增强石膏基复合材料断裂过程可分为3个阶段:基体断裂、纤维脱粘和纤维拔出;纤维和基体间界面结合强度较弱.     

功能性羊毛纤维的制备

以钛酸四丁酯为前驱体,在水热环境中直接将纳米二氧化钛负载到羊毛纤维表面,使用扫描和透射电镜、红外光谱、热重和漫反射光谱测试技术对羊毛纤维改性前后表面形貌、结构、热学和光学性能进行了表征,并测定羊毛纤维拉伸、表面摩擦和自清洁性能.研究结果表明,钛酸四丁酯合成的锐钛矿型纳米二氧化钛颗粒平均粒径约5nm,通过化学键接枝在羊毛纤维表面.较未处理羊毛纤维,改性后的羊毛纤维热学性能变化不明显,吸收紫外线能力有所增强,断裂伸长率有所增加,摩擦因数增大而摩擦效应减小,具有光催化自清洁性能.     

纤维增强聚合物圆柱体与刚性平面接触应力场的有限元分析

对纤维增强聚合物圆柱体与刚性平面线接触问题进行了有限元分析,研究了接触区内纤维的存在以及取向变化对基体和纤维上应力的影响。结果表明:纤维的存在使得纤维下方基体的应力降低,纤维上方基体应力增大;纤维上的最大应力以及纤维端面上的接触应力均与纤维轴向角成线性关系,且受切向角影响较小;纤维的弹性能随着纤维轴向角和切向角均线性变化,且受轴向角影响更大。     

4ENF黏聚解析模型分析

建立了Ⅱ型加载末端切口四点弯断裂试件黏聚模型,给出了界面破坏经历的弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-脱黏阶段相应界面应力分布的解析表达式.为了验证该模型的正确性,对FRP-混凝土4ENF试件进行了有限元分析,在FRP-混凝土界面上设置黏聚单元,界面混凝土和胶层的非线性损伤都由黏聚单元的软化来反映.有限元分析与理论分析结果对照表明,该解析黏聚模型能精确预测4ENF的界面破坏.     

混凝土细观扩展有限元法建模及宏观力学性能估算

混凝土内部的界面过渡区是材料的薄弱环节,一定程度上控制着混凝土材料的宏观力学性能,在界面应力和界面相对位移的框架下描述界面过渡区的本构行为,首先在界面应力空间下构建一个能够综合反映界面过渡区纯拉、拉剪和压剪加载下的初始开裂滑移面,然后通过两个独立的断裂能释放率参数:I型断裂能释放率和渐进II型断裂能释放率,来控制开裂滑移面的后继软化过程,建立了界面过渡区的摩擦剪胀型本构模型.并把该本构模型嵌入到扩展有限元的模式下,建立了能够反映界面过渡区复杂力学行为的扩展有限元模型.将建立的扩展有限元模型应用到混凝土细观数值模拟中去,探究了界面过渡区的初始界面刚度、峰值强度和断裂能释放率对混凝土宏观力学性能的影响规律.     

FRP与砖界面粘结性能的数值分析

利用有限元软件ABAQUS建立纤维复合材料(FRP)-砖界面分析模型,模拟其粘结应力分布,加载端荷载-位移曲线及界面应力的传递过程,并与试验结果进行对比分析.结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好,采用的FRP-砖界面计算模型具有可行性;粘结承载力随着FRP与砖粘结长度的增加而增加,当粘结长度达到某一定值后,粘结承载力基本不增长,此时增加粘结长度可改善试件的延性,增加试件的极限位移.     

功能梯度弹性材料弱间断界面的周期反平面裂纹

建立了功能梯度层合材料弱间断界面的断裂分析模型:材料由3种不同的功能梯度弹性层粘接而成,置于反平面载荷作用下,考虑周期界面裂纹问题.采用分离变量和Hilbert核奇异积分方程方法求解该断裂问题.通过讨论断裂参数各种不同取值所对应问题的数值解,分析了功能梯度非均匀参数、功能梯度层厚度以及裂纹与周期带长度比等对应力强度因子的影响.     

纤维增强陶瓷中界面层和热应力对基体开裂的影响

基于可以考虑界面层效应和界面剪应力作用的三层组合圆筒模型,对纤维增强陶瓷材料分别得到沿纤维方向承受拉伸载荷和热降落引起的应力表达式,包括界面出现剪切滑移和裂纹在基体中扩展后的应力再分配及应力集中。在此基础上建立了可以考虑界面层和热应力影响的基体开裂临界应力求解方程。在不考虑界面层和热应力的条件下其可退化为著名的ＡＣＫ解。最后以材料ＳｉＣｆ／ＳｉＣｍ为例,计算并讨论了界面层和热应力对该临界载荷的影响,得到的理论预估值与实测值有较好的一致。     

FRP板加固钢筋混凝土梁的界面应力分析

基于弹性力学理论,研究了4点弯曲情况下FRP板加固钢筋混凝土梁的界面应力分布.在考虑粘结层影响的情况下给出了FRP板板端界面上剥离应力和正应力的解析表达式,分析了表达式中各物理量对界面应力的影响.由于进行了合理的简化,使得分析过程简单,且得到的解析解与文献中给出的有限元解答和试验结果符合很好,此外还给出了FRP板发生断裂破坏时的极限承载力表达式.     

表面应力对平压头摩擦接触问题的影响

基于Gurtin-Murdoch表面理论,采用Fourier积分变换法,讨论了具有表面效应的刚性平压头与弹性半平面摩擦接触问题,得到问题的奇异积分方程.再利用Gauss-Chebyshev求积公式,得到受表面应力和摩擦影响的弹性半平面应力和位移的数值解.结果表明,当压头尺寸下降到纳米量级时,表面应力效应显著,可消除压力和应力在接触边缘处的奇异性,并减小表面位移且使得位移梯度在边缘处连续.此外,在考虑表面应力情形下,摩擦的影响几乎可以忽略.