教学课程资源库 更多>>

关键词： 混杂纤维增强水泥基复合材料   静态拉伸   动态拉伸   力学性能   断裂力学模型   动态系数拟合  

摘要： 近年来发展起来的高延性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementtitious Composite,ECC）,由于具有高抗拉强度和高延性使其在土木工程领域得到广泛应用。常用的ECC材料多为单掺纤维体系,通过掺入特定尺寸的纤维（如,PVA纤维或PE纤维）来提升材料抗拉强度及延性。而工程结构服役环境的复杂性,往往对材料性能提出多方面要求（高强度、高韧性、抗冲击性能等）。为突破单掺纤维体系在力学性能方面的局限性,可以将不同力学特性、不同尺寸、不同功能的纤维组合使用（即采用混杂纤维的方法）,以优化水泥基复合材料的各项力学性能为适应工程结构对材料性能的多重需求。鉴于此,本文拟采用纤维混杂的方式对单纤维体系的水泥基复合材料进行改进,开展改进型水泥基复合材料的静、动态拉伸性能试验及理论研究。论文主要的研究工作如下:1、开展了纤维水泥基复合材料的拉伸性能试验,研究纤维种类（PE纤维、PP纤维和钢纤维）、混杂方式（PE+钢纤维、PP+钢纤维）、纤维体积掺量（0.5%、1%、1.5%和2%）以及拉伸速率（0.1mm/min、1mm/min、10mm/min和100mm/min）对水泥基材料拉伸力学性能的影响;2、基于断裂力学理论建立了改进型水泥基复合材料静态拉伸的力学模型,用以描述纤维对水泥基材料的增韧及增强效果;3、基于改进型水泥基材料动态拉伸试验结果,建立拉伸速度与混杂纤维水泥基材料动态强度关系,通过非线性回归方法拟合获取材料动态拉伸时极限拉伸强度系数。基于上述试验和理论研究,可得到如下结论:1、PE-ECC（PE纤维水泥基复合材料）和PP-ECC（PP纤维水泥基复合材料）在拉伸速率相同的情况下,PE和PP纤维体积掺量越大峰值拉应力越大、极限应变越大;ES-ECC（钢纤维-PE纤维增强水泥基复合材料）和PS-ECC（钢纤维-PP纤维增强水泥基复合材料）在拉伸速率相同的情况下,钢纤维体积掺量越大峰值拉应力越大,PE纤维或PP纤维含量越高极限应变越大。PE纤维和PP纤维对提高ECC材料延性的作用优于钢纤维。钢纤维对提高ECC材料抗拉强度的作用优于PE纤维和PP纤维。2、PP-ECC和PS-ECC在不同的拉伸速率下均具有明显的应变硬化现象,表明随着拉伸速率的提高,PP纤维仍可以在水泥基基体中提供一定的增韧作用,且可以与钢纤维协同作用,阻止材料在动态拉伸作用下的脆性破坏。PE-ECC和ES-ECC在不同拉伸速率下,其应变硬化现象较明显,且受拉伸速率变化的影响较少,说明PE纤维对水泥基基体增韧效果优于PP纤维。3、基于静、动载试验结果得出,动荷载下具有较高拉伸强度和能量吸收能力的混杂纤维增强水泥基复合材料的较优配比为:E1.5S0.5（1.5%PE纤维+0.5%钢纤维）、和P1S1（1%PP纤维+1%钢纤维）。E1.5S0.5在拉伸速率为100mm/min时,峰值拉应力可达4.58MPa,极限应变可达3.4%,能量吸收为13.8MJ/m2。P1S1在拉伸速率为100mm/min时,峰值拉应力可达6.32MPa,极限应变可达1.6%,能量吸收为7.5MJ/m2。E1.5S0.5延性和韧性更好,但PE纤维掺入量较大,成本略高;P1S1强度更高,而延性和韧性稍弱,考虑到PP纤维及钢纤维较低的成本,因此,采用PP纤维与钢纤维混杂方式增强水泥基材料在动态拉伸作用下亦有良好的拉伸强度及峰值后韧性特征。4、基于断裂力学理论建立的纤维水泥基复合材料静力拉伸模型可较好地描述水泥基复合材料的极限拉伸强度。同时拟合得到的动态拉伸极限拉伸强度系数D与静态拉伸极限拉伸强度的乘积即为不同拉伸速率下的动态极限拉伸强度。

关键词： 复合材料   力学性能   界面层   原位试验   损伤演化   失效机理  

摘要： SiC/SiC陶瓷基复合材料是以SiC为基体,SiC纤维为增强体的一种高温热结构纤维增强材料,以高比强度、高比模量、抗腐蚀、抗磨损、断裂韧性高和热稳定好著称,目前已成为航空发动机热部件最佳选材,是航空发动机生产制造的技术制高点之一。本文通过基础力学试验与X射线CT原位试验开展了单向SiC/SiC和平纹SiC/SiC陶瓷基复合材料的力学性能及失效机理的试验研究与数据分析。主要内容与成果如下:(1)通过基本力学试验研究了纤维界面层对单向SiC/SiC力学性能的影响。利用熔渗(Melt Infiltration,MI)工艺制备的具有不同纤维界面层的0°单向SiC/SiC复合材料,设计进行轴向拉伸、轴向压缩、层间剪切试验。试验表明:界面层主要影响0°SiC/SiC陶瓷基复合材料的剪切强度,对其拉伸压缩性能影响程度较小,界面层数越多,厚度越大其剪切强度越大,且界面层数对剪切强度的影响程度明显高于厚度的影响。(2)研究了开缺孔对0°/90°SiC/SiC陶瓷基复合材料层合板轴向拉伸强度的影响。利用MI工艺制备的标准、开孔、缺口试验件,设计进行了轴向拉伸试验,同时对试验件应变进行了实时监测。结果表明:中间开孔和两侧缺口都可以使材料产生明显的应力集中现象;与标准试验件相比,试验件中间开孔试验件强度下降25%,试验件两侧缺口试验件强度下降15%;中间开孔试验件应力集中现象显著高于两侧开口试验件。(3)研究了纺织陶瓷基复合材料拉伸损伤演化过程,孔隙发展规律,建立了细观尺度下失效机理。设计制备了第三代SiC纤维增韧平纹叠层SiC/SiC狗骨状试件,研制了CT原位拉伸测试仪,完成了纳米X射线CT原位拉伸试验。结果表明:平纹SiC/SiC复合材料单轴拉伸应力-应变曲线呈现明显的非线性;损伤萌生于非线性变化阶段,首先出现基体横向开裂,而后出现层间基体开裂和纤维束基体纵向开裂,最后拉伸方向纤维断裂,材料失效。荷载增加过程中,裂纹的萌生和发展,对孔隙的数量,体积以及分布特征产生了很大影响,孔隙数量增加主要发生于施加应力之初,体积增加主要发生于临近材料失效阶段;材料失效后,由于纤维断裂和拔出,使得断口附近的孔隙率远高于其他位置。

关键词： 多项式代理模型   识别方法   材料参数   薄膜材料  

摘要： 针对鼓泡方法对具有不同本构关系的薄膜材料力学参数识别方法难以统一的问题,提出了一种基于代理模型的薄膜材料力学参数识别方法。首先,运用多项式代理模型将薄膜材料力学参数与薄膜试件在不同测点的挠度仿真值之间的关系显式化,然后采用改进的鼓泡实验装置测量并获得薄膜试件上各测点的扰度实验值,再以相应的测点多项式代理模型值与实验值之间的相对误差的平方和作为目标函数,采用状态转移算法对材料参数进行反解,获得能表征薄膜的真实材料参数。采用这一方法,对304不锈钢薄膜和橡胶材料进行识别实验,证实了这一方法的有效性和可靠性。因此可以利用本文的方法研究鼓泡实验装置的仪器化,从而为进一步实现薄膜材料力学参数识别方法的统一提供新的思路。

关键词： 聚丙烯纤维   氧化石墨烯   纳米压痕   硬度   弹性模量  

摘要： 以水泥砂浆为基体通过掺加聚丙烯纤维,增强水泥砂浆的抗折强度,达到防止开裂的目的,同时加入纳米材料氧化石墨烯,提升水泥砂浆的抗压强度,以弥补脆性大的缺陷。运用纳米压痕技术,研究氧化石墨烯对水泥基材料微观力学性能的改善作用,并结合微观分析研究改性机理和原因,主要研究内容如下:(1)聚丙烯纤维显著提高水泥砂浆的抗折强度,抗折强度随聚丙烯纤维掺量增加而增大,掺量为2%时,增强效果最好,相比未掺加提高了33.3%。氧化石墨烯显著提高水泥砂浆抗压强度,随着氧化石墨烯掺量增加,抗压强度逐渐增加并趋于饱和,掺量0.04%的氧化石墨烯水泥砂浆抗压强度比未掺加时提高了43.6%。(2)同时掺入聚丙烯纤维和氧化石墨烯,水泥砂浆抗折强度和抗压强度均得到提高,聚丙烯纤维掺量为2%,氧化石墨烯掺量为0.04%时,水泥砂浆抗折强度为13.1MPa,抗压强度为66.6MPa,与空白对照组相比分别增加了36.5%和36.2%。(3)运用纳米压痕仪测试氧化石墨烯水泥净浆的硬度和弹性模量,结果显示随着氧化石墨烯的增加,硬度和弹性模量不断增大,主要是氧化石墨烯改善水泥水化进程,水化产物中低密度的硅酸钙凝胶减少,高密度硅酸钙凝胶含量增加,促进未水化颗粒水化的结果。(4)连续刚度法测试应变率对水泥净浆硬度和弹性模量的影响,结果表明,应变率的改变对氧化石墨烯水泥净浆硬度的影响不大。在0.01s-1.5s-1应变率变化范围内,同一掺量氧化石墨烯水泥净浆的弹性模量随应变率的增加而增大,应变率为0.5s-1时的弹性模量比应变率为0.01s-1时提高了46%。

关键词： 纤维金属三维复合材料   力学性能   失效模式   界面强度  

摘要： 纤维金属层合板是指由金属薄板和纤维增强树脂在厚度方向上进行交替铺设而形成的层间混合结构,因其结合金属和纤维二者之间的优点,具有较低的密度、较高的比强度、良好的损伤容限、优异的抗疲劳性以及抗冲击性能等特点而被广泛用于航空航天、车辆工程以及国防工程等领域。纤维金属层合板是一种发展较为成熟的材料,其力学行为是国内外学者研究的热点。但目前纤维金属层合板大多是金属薄板和纤维增强树脂在一维厚度上的交替铺设,金属和纤维之间的界面强度将在很大程度上影响层合板整体的综合力学性能。若将纤维与金属板层的复合在三维方向上扩展到面内而形成一种新型的纤维金属三维复合材料,将能够有效避免界面失效导致的结构性破坏。这种新型材料与纤维金属层合板相比,不仅保留了原有纤维金属层合板的优点,同时具有更优良的结构完整性和良好的可优化性。由于纤维金属三维复合材料的研究仍处于基础阶段,故对其力学性能的深入研究就显得十分有必要。本文利用真空袋成型工艺制备得到纤维金属三维复合材料,在准静态载荷下,采用恒定速率加载的方式,对纤维金属三维复合材料进行准静态载荷试验。根据复合材料的各向异性,沿着不同方向对[0o/0o]和[0o/90o]两种排列方式的纤维金属三维复合材料进行拉伸试验和三点弯曲试验,研究不同排列方式的纤维金属三维复合材料在不同方向上的力学性能,分析试验后复合材料的失效模式。另外分别对[0o/0o]和[0o/90o]两种排列方式的纤维金属三维复合材料进行准静态压入试验,研究两种复合材料的抗压入破坏性能和失效模式。拉伸试验结果表明,[0°/0°]排列的纤维金属三维复合材料在纤维方向上具有最大的拉伸模量、屈服强度及拉伸强度,而在垂直于纤维方向上由于纤维不承受拉力,因此其力学性能较弱。[0°/90°]排列的复合材料由于其仅一侧纤维受拉,其力学性能比[0°/0°]排列的复合材料在纤维方向上的力学性能弱,且拉伸破坏之后试样整体出现弯曲变形。弯曲试验表明[0°/0°]排列方式的复合材料在弯曲应力沿纤维方向上的抗弯能力最高,且[0°/90°]排列方式的复合材料弯曲结果表明弯曲外层中纤维方向对其弯曲强度有着很大的影响。准静态压入实验表明[0°/0°]和[0°/90°]的复合板具有近似的抗压入破坏性能,在压入正面具有相同的破坏模式,而在压入背面,[0°/0°]复合板表现为椭圆形凹陷,[0°/90°]的复合板则表现为十字形开裂。通过三类试验的破坏模式来看:纤维金属三维复合材料都没有发生像纤维金属层合板(FML)一样由于金属和纤维之间的界面失效而导致大范围的结构性破坏,说明纤维金属三维复合材料具有更优的界面强度。基于实验结果,采用ABAQUS有限元软件显式动态分析对纤维金属三维复合材料在准静态载荷下的拉伸试验和三点弯曲试验进行了数值模拟,验证了ABAQUS显式动态分析用于纤维金属三维复合材料准静态响应的可行性,分析了试样在恒定速率加载条件下沿着纤维方向45度的拉伸性能和弯曲性能。另外通过准静态压入模拟,对比了纤维金属三维复合材料和纤维金属层合板(FML)的破坏抗性和破坏模式。模拟结果表明,[0°/0°]和[0°/90°]两种排列方式的复合材料在沿着纤维45度方向上的拉伸剪切性能上差别较小,且其拉伸破坏模式都是剪切破坏,断口沿着纤维方向,和拉应力方向成45度。[0o/0o]和[0o/90o]两种排列方式的复合材料在45度方向上具有近似的弯曲性能,且在45度方向上的弯曲性能低于沿着背面纤维0度方向上的弯曲性能,高于90度方向上的弯曲性能。同种工况条件下,纤维金属三维复合材料相对于FML具有较低的抗损伤性和吸能性,但是具有更优秀的结构完整性。

关键词： ECC   力学性能   试验研究   应力-应变曲线   本构关系   数值模拟  

摘要： 工程纤维增强水泥基复合材料ECC（Engineering fiber reinforced Cementitious Composites）拥有高水平的延展性和韧性,可以有效地抵抗和承受各种形式的开裂或破坏,且与生俱来的自修复性能并不牺牲裂纹的内在强度,极大地提高了结构的耐用性,远观未来建筑行业绿色、智能的发展方向,ECC的应用前景广阔。本文通过拉伸、压缩、四点弯曲等试验,对ECC的最优配合比、拉压本构模型及数值模拟进行了研究工作,主要内容及结果如下:（1）基于定性和定量的分析方法,研究水胶比、粉煤灰质量置换率、纤维体积掺量对ECC强度和延性变化的影响规律,揭示了ECC最佳力学性能配比,且通过试验得出:ECC的抗压强度主要受PVA纤维和粉煤灰掺量影响,而弯曲强度和拉伸强度则主要受PVA纤维掺量和水胶比的影响,但仍依赖于三个因素的最佳组合。（2）通过单轴拉伸试验（及辅助抗弯试验）、压缩试验对ECC受拉、受压力学特性及破坏机理进行分析,探究了主要的影响因素变化对ECC受拉、受压性能的影响规律,得出结论:当PVA纤维的体积掺量大于1.5%时,可以大幅度提高基体的开裂强度、轴拉强度和峰值应变;合理的水胶比是材料性能稳定的关键;随着粉煤灰掺量的增多,ECC的抗压强度和静力弹模均呈下降趋势。（3）在确定最优配合比的基础上,通过对轴拉、轴压试验的试验数据结果及曲线特点分析,提出了ECC轴拉双折线本构模型和ECC受压本构模型,并对参数及特征点进行拟合,吻合度较高,另提出简化实用模型,给出参数建议值。（4）通过ABAQUS软件对ECC进行薄板四点弯曲数值模拟,模拟结果与试验结果大体都能较好吻合,表明使用混凝土塑性损伤模型与ECC拉、压本构模型来模拟ECC构件是可行的,也验证了本构模型的稳定性。

关键词： 微观缺陷   弹性性能   黏聚力单元   渐进损伤行为   C/C复合材料  

摘要： 碳纤维增强热解碳基复合材料(C/C)具有低密度、高比强度、高比模量、耐高温、耐热冲击等优异性能,是现阶段先进航空航天器及其动力系统不可缺少的备选材料。化学气相浸渗(CVI)法是制备高性能C/C复合材料的主要工艺之一。在制备过程中,受预制体结构、前驱体类型、反应温度与压强、气体传送介质等诸多因素影响,C/C复合材料通常具有较为复杂的微观结构,除纤维相、不同织构热解碳基体外,还存在孔隙和界面微裂纹等缺陷结构,其具有分布随机、形状不规则、取向自由等特点。这些复杂微观结构和C/C复合材料力学性能有着紧密联系,如能建立此类复杂微观结构参数和材料力学性能的直接对应关系,实现基于微观结构的C/C复合材料力学性能数值预测,不仅能为C/C复合材料结构件在设计过程中提供理论依据,也可为该材料的设计制造提供参数指导,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。C/C复合材料属于典型非均质复合材料,传统实验在探究其微观结构和力学性能关系时需要较为昂贵且复杂的测试装备、冗长的测试周期;另一方面,鉴于孔隙和微裂纹等缺陷结构异常复杂,现有研究方案很难将其引入至C/C复合材料力学性能评估之中。本论文基于C/C复合材料微观图像,采用计算机图像技术对缺陷结构几何信息进行数值提取,依据复合材料结构特征构建合适的力学模型,成功预测了考虑微观缺陷结构的C/C复合材料的力学性能,并深入探究不同缺陷参数的影响规律。主要研究内容如下:化学气相沉积制备C/C复合材料微观结构的数值表征。使用化学气相沉积工艺分别制备了研究所需的C/C复合材料,采用光学显示装置观测并拍摄了复合材料的微观结构信息,在计算机图像处理技术基础上,分别提取了C/C复合材料微观图像中不同组分相的体积分数、几何特征和尺寸分布等信息,并对其进行统计分析。为后续C/C复合材料力学模型创建奠定了基础。C/C复合材料及其组分材料力学性能实验测试。根据C/C复合材料及其组分(纤维束、热解碳基体)的力学性能测试标准,分别制备了待测试样并执行了相应测试;通过计算含裂纹C/C复合材料梁的柔度参数,在无需额外数字光学辅助设备下直接获得裂纹尖端的扩展长度,实现了断裂韧性参数的准确表征;推导了C/C复合材料中纤维束单轴拉伸强度服从的的分布函数,结合纤维束拉伸测试结果获得纤维束强度的期望和标准差参数。测试结果不仅可以定义C/C复合材料力学模型中各组分材料属性,也可以为后续数值预测结果提供实验验证。探究了考虑微观缺陷的C/C复合材料弹性性能预测方法。根据C/C复合材料微观结构表征结果,采用修正顺序随机吸附算法创建了C/C复合材料代表性体积单元,提出的“最短距离搜寻法”可以对缺陷-缺陷夹杂以及缺陷-纤维夹杂的非接触约束进行高速判断。通过对代表性体积单元施加周期性边界条件获得应力应变等场量,结合数值均质方法实现了等效弹性性能参数的数值预测;将数值计算结果与实验测试进行对比,验证了该研究策略可以较准确预测不同缺陷参数C/C复合材料的等效弹性性能。开展了基于缺陷保形映射的C/C复合材料弹性性能预测研究。采用保形映射方法对C/C复合材料中的缺陷几何轮廓进行映射与定义,结合修正顺序随机吸附算法创建含缺陷形状特征的代表性体积单元并对其进行有限元求解和数值均质计算,通过与实验测试进行对比验证所建模型的准确性。当缺陷轮廓映射点数量超过40时,计算结果收敛一致;综合考虑数值计算精度及计算效率,发现当代表性体积单元几何尺寸/夹杂相最大尺寸超过临界值8时,C/C复合材料弹性性能的预测结果具有97.5%的置信度;此外,缺陷体积分数及相对分布位置对C/C复合材料等效弹性性能及其横观各向同性特质有显著影响。开发了用于描述C/C复合材料层间界面断裂的黏聚单元。基于商业有限元软件Abaqus和Python脚本语言创建了用于表征C/C复合材料层间裂纹的无厚度黏聚力单元,确定了黏聚力单元的本构参数与积分形式;当断裂过程区单位长度所需无厚度单元的临界数量达到3.88时,计算结果与实现测试吻合较好;将损伤因子正则化为粘度损伤因子可以解决C/C复合材料分层断裂计算中隐式求解器的收敛问题;采用所建无厚度黏聚单元及相应的本构参数和单元参数可以准确预测C/C复合材料的层间混合断裂行为。揭示了缺陷结构对C/C复合材料渐进损伤行为的影响。依据Tasi-Wu张量多项式失效准则和黏聚力单元创建了C/C复合材料不同损伤形式下的刚度退化程序。开发了用于描述C/C复合材料不同载荷条件下,材料属性渐进损伤变化的子程序USDFLD。通过与实验结果相比,所建模型可以准确预测考虑缺陷的C/C复合材料的等效强度性能;通过计算不同缺陷体积分数C/C复合材料模型的极限强度和损伤失效形式,阐明了缺陷密度对复合材料渐进损伤行为的影响规律。

关键词： 有限元数值模拟   复合材料力学性能   颗粒增强金属基复合材料   参数化建模   氧化锆增韧氧化铝  

摘要： 颗粒增强金属基复合材料以其优良的力学性能,在工业和航空航天等领域有着广泛的应用。由于此类复合材料具有复杂的微细观结构,实验和细观力学方法对其进行力学性能研究时存在一定的限制,有限元方法因能对接近实际微细观结构的代表体元模型求解数值解,因此具有更大的优势。以真空无压烧结法制备的氧化锆增韧氧化铝颗粒(ZTA)增强铁基复合材料(ZTA/Fe45)为研究对象,对颗粒增强复合材料高体积分数几何模型的参数化建模算法,基体缺陷、非理想界面和细观结构特征对力学性能的影响,断裂机理等方面进行了探索和研究,获得以下研究结果。(1)以通用有限元软件ABAQUS为基础,采用Python语言作为工具,实现了若干种单胞模型和随机分布模型的参数化建模,并将所编写程序封装为具有操作界面的插件,使操作更便捷和用户界面更友好,方便软件的分发和扩展。针对球状颗粒,采用扰动算法,可实现高达80vol%体积分数的代表体元的构建;通过Voronoi图形和第一第二最近距离对颗粒的分布进行统计分析,表明所构建模型中的球形颗粒分布较为均匀。为实现不规则形貌ZTA颗粒的高体积分数投放,开发了一种刚性颗粒空间压缩法,能实现高达50vol%体积分数的不规则ZTA颗粒三维代表体元的快速构建。该方法利用颗粒之间的相互作用力避免颗粒干涉的发生,因此具有编程相对容易、投放效率高、体积分数相对较大和适应多种颗粒形貌的特点,可适用于球状、椭球状和不规则状等形状。(2)基于本文所开发的建模算法,构建了颗粒体积分数10～50vol%的ZTA/Fe45复合材料三维代表体元模型,采用有限元方法计算了ZTA/Fe45复合材料的有效弹性性能,并和细观力学解进行了对比研究。网格敏感性分析表明,在不同的L/L值的情况下,模型的网格数量差异较大,但是计算得到的杨氏模量结果却较为接近,说明弹性性能计算结果对网格尺寸敏感性较弱,合适的网格密度可通过对比计算结果的应力云图进行选择。为保证代表体元模型具有稳定的统计特征,减少颗粒分布随机性引起的误差,代表体元中的颗粒数量不应低于30个。有效弹性性能计算结果表明,不规则颗粒对有效弹性性能的增强效果优于球状颗粒;颗粒体积分数的增加使得弹性模量和切变模量增加;有限元解与细观力学解析解较为吻合,说明本文所构建模型较为准确。(3)采用两步均匀化方法,基于断裂带模型和内聚力模型,以20vol%颗粒体积分数ZTA/Fe45复合材料为例,分析了基体孔隙和界面性能对复合材料力学性能的影响规律。结果表明:基体孔隙对ZTA/Fe45复合材料力学性能有较大影响。ZTA/Fe45的杨氏模量随着孔隙率的提升呈线性递减的特点;抗拉强度与孔隙率呈非线性的递减关系。当低孔隙率较低时,抗拉强度下降显著;当孔隙率较高时,抗拉强度性能下降速率有所降低。界面模量的提升使得ZTA/Fe45复合材料杨氏模量显著增加,但随着界面模量增加到颗粒模量的0.5倍之后,复合材料模量的增加逐渐趋缓。界面模量的增大使得ZTA/Fe45复合材料抗拉强度逐渐降低,随着界面模量的增大,抗拉强度呈现下降趋势。在界面强度小于颗粒强度的0.5倍之前,随着界面强度的增加ZTA/Fe45复合材料的抗拉强度逐渐增大,但当界面强度大于颗粒材料强度0.5倍之后,复合材料抗拉强度趋于平稳,约为302MPa。界面强度的改变使得ZTA/Fe45复合材料的损伤机理发生了转变,界面强度低于颗粒强度0.5倍的情况下,复合材料的损伤以基体和界面为主;当增加到0.5倍之后,损伤以基体和颗粒为主,界面强度仅能在一定程度上提升复合材料的整体强度,当界面强度接近颗粒强度之后颗粒对复合材料强度的强化作用开始减弱。因此,应严格控制基体的孔隙,提高基体的致密度。界面弹性模量及强度约为颗粒相关属性0.5倍时对提高复合材料的弹性模量和强度较为有利。(4)基于二维代表体元分析了颗粒体积分数、形貌和尺寸等细观结构特征对ZTA/Fe45复合材料力学性能的影响规律。在较低颗粒体积分数(小于30vol%)的情况下,ZTA/Fe45复合材料的裂纹主要位于基体,因此强度主要由基体强度决定;在颗粒体积分数较高(≥40vol%)的情况下,ZTA/Fe45复合材料的裂纹主要由界面裂纹组成,因此强度主要由界面强度决定。在非理想界面的情况下,颗粒体积分数的不同导致单位面积界面长度的差异使得决定ZTA/Fe45复合材料的抗拉强度的主导因素发生了转变。颗粒纵横比的增长伴随着复合材料强度的下降,增强颗粒的纵横比越接近于1,复合材料的强度越高,等轴颗粒模型计算得到的复合材料强度最高。相同纵横比的情况下椭球形颗粒模型的强度高于不规则颗粒模型。因此在实际的复合材料制备中尽量选取等轴颗粒。在体积分数相同和界面性能一致的情况下,对于毫米级别(0.5～2mm)的颗粒,颗粒尺寸不足以影响复合材料的弹性性能,颗粒尺寸越小ZTA

关键词： 三维整体中空夹层复合材料   冲击破坏   数值模拟   力学性能   纤维密度  

摘要： 三维整体中空夹层复合材料是一种新型的夹层结构复合材料,由纤维束预制体作为增强体,浸润环氧树脂以后固化形成具有特定几何结构和力学性能的材料。三维整体中空夹层复合材料因其轻质、高强、整体性强的优点,在很多的领域可以取代传统的夹层结构复合材料。本文对三维整体中空夹层复合材料的力学性能进行了研究,主要内容包括:1.研究了三维整体中空夹层复合材料在各种载荷工况下的应力分布,并对不同载荷下的破坏进行了预测。2.研究了三维整体中空夹层复合材料的几何参数对材料力学性能的影响,包括经纱密度、纬纱密度、材料高度。分析了三维整体中空夹层复合材料经向和纬向的性能差异,以及载荷对材料各个组分做功的大小。3.研究了三维整体中空夹层复合材料在冲击载荷下响应的时间历程,以及材料在不同冲击速度下的破坏情况。分析了在冲击破坏的过程中,材料各个组分对能量的吸收规律。基于以上内容的研究,本文得出了以下结论:1.在三维整体中空夹层复合材料承受载荷的过程中,纤维束预制体会承担大部分的载荷,环氧树脂主要起传递载荷的作用。2.三维整体中空夹层复合材料的几何参数对其力学性能的影响很大。并且在侧拉和剪切载荷作用下,经向和纬向的力学性能存在较大的差异,主要是因为经纱有一定的屈曲度。三维整体中空夹层复合材料高度的增加,会引起压缩模量的减小,除了因为材料高度小的时候,绒经之间附着有较多的环氧树脂以外,还因为材料高度的增加使得绒经芯柱更加容易失稳。3.在冲击载荷下,冲头的动能大部分转化为材料的内能,并且三维整体中空夹层复合材料的环氧树脂部分吸收的能量比纤维束预制体吸收的能量要大。

关键词： 颗粒增强金属基复合材料   尺寸效应   细观损伤   间接强化机制  

摘要： 颗粒增强金属基复合材料通过在韧性金属基体中加入具有高硬度的脆性增强颗粒,提升了复合材料的强度和模量,获得较好的综合性能。颗粒增强金属基复合材料的强化效果来自于直接强化机制和间接强化机制的共同作用。其中与间接强化机制相关的强化具有明显的尺寸效应。由于目前对于间接强化机制下细观结构、界面特性和损伤机制等特征对颗粒增强金属基复合材料力学性能的影响机制还有待进一步深入研究。为此本论文对考虑间接强化机制的颗粒增强复合材料的力学性能开展了研究,先在界面损伤机制下分析了细观结构与界面特性对结果的影响,接着分析了耦合损伤机制下颗粒尺寸及颗粒强度对结果的影响。本文研究内容主要包括以下几个方面:首先,本文将淬火硬化以及应变梯度强化效应两种间接强化机制引入弹塑性基体本构模型中,从而实现了材料宏观力学性能的尺寸效应。然后,本文采用基于代表性体积单元模型(RVE)的有限元分析方法来预测复合材料在单向拉伸载荷下的响应。本文的RVE模型为含多颗粒的三维有限元模型。基体采用加入淬火硬化和应变梯度强化的弹塑性本构模型;为了对界面损伤机制以及耦合损伤机制进行研究,本文在界面层采用双线性内聚模型来模拟界面损伤,并应用连续损伤模型来描述颗粒脆性断裂引起的损伤。对比实验结果,证明了界面损伤模型对尺寸相关的材料宏观力学行为具有良好的预测能力;并基于仿真结果分析发现界面损伤具有从拉伸方向两端向中间演化的特征。无界面损伤RVE模型的计算结果表明:颗粒越小,应变梯度强化效应越强。接着,基于经过验证的界面损伤模型从复合材料的细观结构(颗粒尺寸和体积分数)和界面特性(界面强度和界面断裂能)两个方面进行参数分析。发现随着颗粒尺寸下降,材料的强度和延性同时提升;而颗粒体积分数增加带来了更高的强度和更低的延性。界面强度对复合材料塑性阶段宏观力学行为影响显著,而界面断裂能的影响则仅体现在复合材料拉伸行为的后期。随界面强度增强,界面损伤的起始和发展都更慢;对于低界面断裂能,界面损伤发展得更快而损伤起始不变。最后,不同损伤机制(耦合损伤和仅界面损伤)的模型预测效果表明:耦合损伤模式下的材料宏观响应相比界面损伤模型更加接近实验结果。耦合损伤机制下,两种损伤模式相互竞争共同影响着彼此的演化,颗粒强度和界面强度共同影响着主导损伤模式。本文创新点主要在于以下几个方面:本文在基体本构模型中引入间接强化机制,通过编写用户子程序实现了复合材料宏观力学行为的尺寸效应;本文编写的基体材料子程序可适用于六面体及四面体网格,具有较高的实用性;通过在界面损伤机制中引入颗粒脆性损伤模式显著提高了模型的预测能力;本文对颗粒增强复合材料的设计空间进行了较为全面的探索,为后续的优化设计研究提供一定的参考价值。