2010年 第27卷 第2期
2010, 27(2): 1-8.
摘要:
已有研究在Terfenol-D颗粒粒径及粒度分布对树脂基磁致伸缩复合材料性能的影响规律上存在分歧。本文中以Terfenol-D为磁致伸缩颗粒，以不饱和聚酯树脂为基体，采用5 种窄分布颗粒(30～53μm、53～150μm、150～300μm、300～450μm、450～500μm)和1种宽分布颗粒(30～500μm)制备颗粒体积分数为20 %的磁致伸缩复合材料，并测试其动静态磁致伸缩系数、磁机械耦合系数、弹性模量及抗压强度等性能参数。在窄分布颗粒制备的试样中，以53～150μm制备的复合材料的磁致伸缩性能最佳；而采用宽分布颗粒制备的试样其性能优于窄分布颗粒制备的试样。该结果表明，增大颗粒粒径同时具有积极作用与消极作用, 其对复合材料磁致伸缩性能的影响取决于哪一个居主导地位。
已有研究在Terfenol-D颗粒粒径及粒度分布对树脂基磁致伸缩复合材料性能的影响规律上存在分歧。本文中以Terfenol-D为磁致伸缩颗粒，以不饱和聚酯树脂为基体，采用5 种窄分布颗粒(30～53μm、53～150μm、150～300μm、300～450μm、450～500μm)和1种宽分布颗粒(30～500μm)制备颗粒体积分数为20 %的磁致伸缩复合材料，并测试其动静态磁致伸缩系数、磁机械耦合系数、弹性模量及抗压强度等性能参数。在窄分布颗粒制备的试样中，以53～150μm制备的复合材料的磁致伸缩性能最佳；而采用宽分布颗粒制备的试样其性能优于窄分布颗粒制备的试样。该结果表明，增大颗粒粒径同时具有积极作用与消极作用, 其对复合材料磁致伸缩性能的影响取决于哪一个居主导地位。
2010, 27(2): 9-15.
摘要:
为开发新型耐高温和耐低温材料提供理论依据，对同一发泡率、不同纤维体积分数和同一纤维体积分数、不同发泡率的锦纶短纤维增强发泡橡胶复合材料(SFRFRC)在213～398 K温度下的压缩性能进行测试。结果表明：在 213 K时，SFRFRC的压缩性能发生明显变化，已经由高弹态转变为玻璃态，而玻璃化转变温度在213～233 K之间。纤维体积分数和发泡率均对SFRFRC的耐低温性能有很大影响。短纤维的添加和适当改变发泡率都明显改善了SFRFRC在低温下的压缩性能。在定160 N和5 mm条件下，同一发泡率、不同纤维体积分数的SFRFRC，压缩永久变形随着纤维体积分数的增加而呈指数下降；而5 %纤维体积分数、不同发泡率的SFRFRC，压缩永久变形随着发泡率的增大而增大。
为开发新型耐高温和耐低温材料提供理论依据，对同一发泡率、不同纤维体积分数和同一纤维体积分数、不同发泡率的锦纶短纤维增强发泡橡胶复合材料(SFRFRC)在213～398 K温度下的压缩性能进行测试。结果表明：在 213 K时，SFRFRC的压缩性能发生明显变化，已经由高弹态转变为玻璃态，而玻璃化转变温度在213～233 K之间。纤维体积分数和发泡率均对SFRFRC的耐低温性能有很大影响。短纤维的添加和适当改变发泡率都明显改善了SFRFRC在低温下的压缩性能。在定160 N和5 mm条件下，同一发泡率、不同纤维体积分数的SFRFRC，压缩永久变形随着纤维体积分数的增加而呈指数下降；而5 %纤维体积分数、不同发泡率的SFRFRC，压缩永久变形随着发泡率的增大而增大。
2010, 27(2): 16-23.
摘要:
采用固相法制备了玉米淀粉接枝马来酸酐(MAH)和苯乙烯(St)的共聚物Starch-g-MAH-St(SMS)。采用机械共混法制备了接枝改性淀粉/丁苯橡胶(SMS/SBR)复合材料，研究了复合材料的力学性能、热空气老化性能、动态力学性能以及微观形态。结果表明，SMS/SBR复合材料的力学性能优于未改性淀粉/SBR复合材料和纯SBR。当苯乙烯和MAH单体用量都为原淀粉质量的10 %且SMS的用量为20 g/100 g SBR时，SMS/SBR复合材料的力学性能最佳。经100℃ 热空气老化48 h后，复合材料的拉伸强度仍可达10 MPa。与纯 SBR硫化胶相比，SMS/SBR复合材料的玻璃化转变温度(Tg)降低。微观形态分析显示，淀粉经改性后粒子尺寸减小，在SBR 中的分散性得到了改善，与SBR基体的相容性得到了提高。
采用固相法制备了玉米淀粉接枝马来酸酐(MAH)和苯乙烯(St)的共聚物Starch-g-MAH-St(SMS)。采用机械共混法制备了接枝改性淀粉/丁苯橡胶(SMS/SBR)复合材料，研究了复合材料的力学性能、热空气老化性能、动态力学性能以及微观形态。结果表明，SMS/SBR复合材料的力学性能优于未改性淀粉/SBR复合材料和纯SBR。当苯乙烯和MAH单体用量都为原淀粉质量的10 %且SMS的用量为20 g/100 g SBR时，SMS/SBR复合材料的力学性能最佳。经100℃ 热空气老化48 h后，复合材料的拉伸强度仍可达10 MPa。与纯 SBR硫化胶相比，SMS/SBR复合材料的玻璃化转变温度(Tg)降低。微观形态分析显示，淀粉经改性后粒子尺寸减小，在SBR 中的分散性得到了改善，与SBR基体的相容性得到了提高。
2010, 27(2): 24-30.
摘要:
2010, 27(2): 31-37.
摘要:
通过静电纺丝法制备出纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维，利用扫描电镜、红外光谱仪、X射线衍射仪对纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维形貌和结构进行表征，并进行了拉伸测试。结果表明，随着超细纤维中羟基磷灰石含量的增加，纤维的直径逐渐降低，纤维中聚己内酯的结晶逐渐变差。相比于丝素蛋白/聚己内酯超细纤维，含有质量比为30 %羟基磷灰石的复合超细纤维仍具有较好的力学性能。体外小鼠成纤维细胞(L929)培养表明，纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维对细胞没有毒性。
通过静电纺丝法制备出纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维，利用扫描电镜、红外光谱仪、X射线衍射仪对纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维形貌和结构进行表征，并进行了拉伸测试。结果表明，随着超细纤维中羟基磷灰石含量的增加，纤维的直径逐渐降低，纤维中聚己内酯的结晶逐渐变差。相比于丝素蛋白/聚己内酯超细纤维，含有质量比为30 %羟基磷灰石的复合超细纤维仍具有较好的力学性能。体外小鼠成纤维细胞(L929)培养表明，纳米羟基磷灰石/丝素蛋白/聚己内酯复合超细纤维对细胞没有毒性。
2010, 27(2): 38-42.
摘要:
以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸甲酯(MA)为起始原料，过硫酸钾(KPS)为引发剂，1. 5 wt%聚丙烯腈基碳纤维为增强相，采用悬浮聚合的方法，制备了碳纤维增强PMMA-PMA 基复合材料(Cf/PMMA-PMA)。研究了疲劳周期对Cf/PMMA-PMA复合材料抗弯强度的影响及其生物活性。采用X射线衍射分析(XRD)对复合材料的结构进行了表征，应用万能材料试验机测试了复合材料的抗弯强度，并利用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的断面显微形貌进行了分析。结果表明，在 0～5000 次的循环次数内，复合材料的抗弯强度没有显著变化，试样表面的受力处也没有出现裂纹等现象。随复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡时间的延长，复合材料表面沉积的羟基磷灰石( HA)颗粒增多，说明复合材料具有良好的生物活性。此外，SBF的浸泡对Cf/PMMA-PMA复合材料的力学性能几乎没有影响。
以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸甲酯(MA)为起始原料，过硫酸钾(KPS)为引发剂，1. 5 wt%聚丙烯腈基碳纤维为增强相，采用悬浮聚合的方法，制备了碳纤维增强PMMA-PMA 基复合材料(Cf/PMMA-PMA)。研究了疲劳周期对Cf/PMMA-PMA复合材料抗弯强度的影响及其生物活性。采用X射线衍射分析(XRD)对复合材料的结构进行了表征，应用万能材料试验机测试了复合材料的抗弯强度，并利用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的断面显微形貌进行了分析。结果表明，在 0～5000 次的循环次数内，复合材料的抗弯强度没有显著变化，试样表面的受力处也没有出现裂纹等现象。随复合材料在模拟体液(SBF)中浸泡时间的延长，复合材料表面沉积的羟基磷灰石( HA)颗粒增多，说明复合材料具有良好的生物活性。此外，SBF的浸泡对Cf/PMMA-PMA复合材料的力学性能几乎没有影响。
2010, 27(2): 43-49.
摘要:
为了制备结构和性能满足骨组织工程支架要求的聚己内酯(PCL)多孔支架材料，采用浸没凝胶相分离法，以冰醋酸和丙酮为混合溶剂，水为凝固剂，壳聚糖(CS)颗粒为添加剂制得一系列PCL 多孔支架。探讨了溶剂组成、PCL 浓度、CS添加量对PCL 多孔支架结构和性能的影响。结果表明：添加CS颗粒有利于形成多孔三维支架，随着CS含量的增加，孔隙率略微下降，抗压强度提高。随着 PCL 质量分数的增加，孔隙率明显下降，但抗压强度增大。当溶剂组成中丙酮含量为50 wt%～60 wt%，PCL 质量分数不高于10 wt %时，通过改变 CS用量，可制得孔隙率和力学性能满足骨组织工程要求的相互贯通的三维多孔支架材料。
为了制备结构和性能满足骨组织工程支架要求的聚己内酯(PCL)多孔支架材料，采用浸没凝胶相分离法，以冰醋酸和丙酮为混合溶剂，水为凝固剂，壳聚糖(CS)颗粒为添加剂制得一系列PCL 多孔支架。探讨了溶剂组成、PCL 浓度、CS添加量对PCL 多孔支架结构和性能的影响。结果表明：添加CS颗粒有利于形成多孔三维支架，随着CS含量的增加，孔隙率略微下降，抗压强度提高。随着 PCL 质量分数的增加，孔隙率明显下降，但抗压强度增大。当溶剂组成中丙酮含量为50 wt%～60 wt%，PCL 质量分数不高于10 wt %时，通过改变 CS用量，可制得孔隙率和力学性能满足骨组织工程要求的相互贯通的三维多孔支架材料。
2010, 27(2): 50-57.
摘要:
通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了三维针刺，C/SiC刹车材料 , 利用 MM21000型摩擦磨损试验机系统研究了C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能，采用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对摩擦表面和磨屑形貌进行了观察。结果表明：干态刹车条件下，当初始刹车速度相同时，摩擦系数随着刹车压力的升高而逐渐降低；当刹车压力相同时，摩擦系数随着初始刹车速度的增加先升高后降低。湿态摩擦性能衰减小(衰减约8 %) 、恢复快；静态摩擦系数高(为0. 56～0. 61)，摩擦系数随着初始刹车温度的升高而显著降低。当刹车压力相同时，磨损率随着初始刹车速度的增加而增大；当初始刹车速度大于20 m/s时，刹车压力的增大使磨损率显著增加。
通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了三维针刺，C/SiC刹车材料 , 利用 MM21000型摩擦磨损试验机系统研究了C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能，采用光学显微镜和扫描电子显微镜分别对摩擦表面和磨屑形貌进行了观察。结果表明：干态刹车条件下，当初始刹车速度相同时，摩擦系数随着刹车压力的升高而逐渐降低；当刹车压力相同时，摩擦系数随着初始刹车速度的增加先升高后降低。湿态摩擦性能衰减小(衰减约8 %) 、恢复快；静态摩擦系数高(为0. 56～0. 61)，摩擦系数随着初始刹车温度的升高而显著降低。当刹车压力相同时，磨损率随着初始刹车速度的增加而增大；当初始刹车速度大于20 m/s时，刹车压力的增大使磨损率显著增加。
2010, 27(2): 58-61.
摘要:
采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了Y2Si2O7晶须增强 MoSi2复合抗氧化外涂层。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的相组成和显微结构进行了表征。研究了Y2Si2O7晶须对复合涂层显微结构和抗氧化性能的影响。结果表明： Y2Si2O7晶须对复合涂层的显微结构和抗氧化性能有较大的影响。与MoSi2/SiC涂层相比，Y2Si2O7-MoSi2/SiC复合涂层均匀、致密，无显微裂纹。在静态空气氧化过程中，Y2Si2O7晶须有效阻止了外涂层的开裂，提高了涂层的抗氧化性能。该复合涂层试样在 1773 K下氧化100 h，失重仅为0. 73 %，相应的失重速率仅为1. 48×10-5 g·cm-2·h-1 。
采用水热电泳沉积法在C/C-SiC复合材料表面制备了Y2Si2O7晶须增强 MoSi2复合抗氧化外涂层。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的相组成和显微结构进行了表征。研究了Y2Si2O7晶须对复合涂层显微结构和抗氧化性能的影响。结果表明： Y2Si2O7晶须对复合涂层的显微结构和抗氧化性能有较大的影响。与MoSi2/SiC涂层相比，Y2Si2O7-MoSi2/SiC复合涂层均匀、致密，无显微裂纹。在静态空气氧化过程中，Y2Si2O7晶须有效阻止了外涂层的开裂，提高了涂层的抗氧化性能。该复合涂层试样在 1773 K下氧化100 h，失重仅为0. 73 %，相应的失重速率仅为1. 48×10-5 g·cm-2·h-1 。
2010, 27(2): 62-65.
摘要:
研究了脱油沥青(De-oiled asphalt)基气相生长碳纤维(VGCFs)增强水泥基复合材料的制备方法及其性能。以脱油沥青作原料，采用化学气相沉积法(CVD)制备出气相生长碳纤维，以此纤维制备水泥基功能复合材料。结果表明：低含量VGCFs的碳纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压强度和导电性能，在VGCFs的掺量由0增至0.6 %范围内，随着VGCFs掺量的增加，碳纤维增强水泥基复合材料的电阻率下降，抗压强度提高。当VGCFs为0.4 %时，VGCFs水泥基复合材料电阻率降低2个数量级，从3.25 ×105 Ω·cm 降为1.49 ×103 Ω· cm ,抗压强度提高28.8 %，为最佳掺量。
研究了脱油沥青(De-oiled asphalt)基气相生长碳纤维(VGCFs)增强水泥基复合材料的制备方法及其性能。以脱油沥青作原料，采用化学气相沉积法(CVD)制备出气相生长碳纤维，以此纤维制备水泥基功能复合材料。结果表明：低含量VGCFs的碳纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压强度和导电性能，在VGCFs的掺量由0增至0.6 %范围内，随着VGCFs掺量的增加，碳纤维增强水泥基复合材料的电阻率下降，抗压强度提高。当VGCFs为0.4 %时，VGCFs水泥基复合材料电阻率降低2个数量级，从3.25 ×105 Ω·cm 降为1.49 ×103 Ω· cm ,抗压强度提高28.8 %，为最佳掺量。
2010, 27(2): 66-71.
摘要:
对于高性能碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)筋混凝土梁，研究几何非线性组合壳单元模型，对预应力CFRP筋混凝土梁进行了全过程分析。引入Von Karman理论，推导了局部坐标系下Piola2Kirchhoff 应力矩阵和几何刚度矩阵；分别采用组合壳单元和分层壳单元模拟预应力CFRP 筋和玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋，并推导了CFRP筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献，同时采用Heterosis选择积分技术以避免剪切锁定和零能量模式，研制了相应的非线性计算程序。计算结果与试验数据对比可知，挠度发展规律和预应力CFRP筋应变发展规律均吻合良好，说明了研究单元的有效性及研制程序的正确性；CFRP筋具有高强度性能，梁试件破坏时CFRP筋均未失效；利用预应力CFRP筋应变重分布系数研究了梁的刚度退化规律，表明采用GFRP筋代替普通钢筋在加载后期会使梁的刚度退化减小。
对于高性能碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)筋混凝土梁，研究几何非线性组合壳单元模型，对预应力CFRP筋混凝土梁进行了全过程分析。引入Von Karman理论，推导了局部坐标系下Piola2Kirchhoff 应力矩阵和几何刚度矩阵；分别采用组合壳单元和分层壳单元模拟预应力CFRP 筋和玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)筋，并推导了CFRP筋对组合壳单元刚度矩阵的贡献，同时采用Heterosis选择积分技术以避免剪切锁定和零能量模式，研制了相应的非线性计算程序。计算结果与试验数据对比可知，挠度发展规律和预应力CFRP筋应变发展规律均吻合良好，说明了研究单元的有效性及研制程序的正确性；CFRP筋具有高强度性能，梁试件破坏时CFRP筋均未失效；利用预应力CFRP筋应变重分布系数研究了梁的刚度退化规律，表明采用GFRP筋代替普通钢筋在加载后期会使梁的刚度退化减小。
2010, 27(2): 72-76.
摘要:
采用粉末冶金法制备了TiB2/Ti 颗粒增强钛基复合材料，研究了不同烧结温度(800、900、1000 和1100℃) TiB2/Ti 复合材料在 600、700、800和900℃ 空气中的恒温氧化行为，分析了TiB2对钛基复合材料氧化动力学行为的影响，并对氧化层表面的相组成、 形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析。结果表明：该复合材料的氧化层表面的氧化产物主要为金红石型 TiO 2 , 此外还有 Fe2O3、Al2O3和B2O3，未发现其它类型钛的氧化物；TiB2/Ti 复合材料800℃ 恒温空气中氧化的氧化动力学曲线初始阶段氧化速度较快，随着氧化时间的延长，形成的氧化膜减慢了氧化的速度；随着增强体TiB2体积分数的增加和烧结温度的提高，复合材料的抗氧化性能提高，这主要是由于提高烧结温度和提高增强体TiB2的体积分数均有利于氧化层的致密度提高，从而提高了材料的抗氧化性能。
采用粉末冶金法制备了TiB2/Ti 颗粒增强钛基复合材料，研究了不同烧结温度(800、900、1000 和1100℃) TiB2/Ti 复合材料在 600、700、800和900℃ 空气中的恒温氧化行为，分析了TiB2对钛基复合材料氧化动力学行为的影响，并对氧化层表面的相组成、 形貌以及氧化层剖面的显微结构进行了分析。结果表明：该复合材料的氧化层表面的氧化产物主要为金红石型 TiO 2 , 此外还有 Fe2O3、Al2O3和B2O3，未发现其它类型钛的氧化物；TiB2/Ti 复合材料800℃ 恒温空气中氧化的氧化动力学曲线初始阶段氧化速度较快，随着氧化时间的延长，形成的氧化膜减慢了氧化的速度；随着增强体TiB2体积分数的增加和烧结温度的提高，复合材料的抗氧化性能提高，这主要是由于提高烧结温度和提高增强体TiB2的体积分数均有利于氧化层的致密度提高，从而提高了材料的抗氧化性能。
2010, 27(2): 77-83.
摘要:
采用球形压头对闭孔铝泡沫材料进行了准静态压痕实验，研究了不同直径、铝泡沫相对密度及边界条件对铝泡沫的压痕硬度、吸能能力及能量吸收率的影响。研究表明，铝泡沫在球形压头作用下的响应曲线可采用幂函数形式进行描述，幂函数指数随相对密度的增大而线性增加。铝泡沫压痕处的断面显示铝泡沫变形被严格限制在压头之下，铝泡沫的压痕变形是局部的不均匀变形。铝泡沫的压痕硬度及吸能能力均随压头直径的增大而线性减小，但它们却均随铝泡沫相对密度的增大而线性增大；能量吸收率不随压头直径和铝泡沫相对密度而变化。在一定压痕深度范围内，刚性基础和简支条件对铝泡沫的压痕响应影响可以忽略不计。最后基于实验数据分别建立了压痕硬度和吸能能力与压头直径及铝泡沫相对密度的关系。
采用球形压头对闭孔铝泡沫材料进行了准静态压痕实验，研究了不同直径、铝泡沫相对密度及边界条件对铝泡沫的压痕硬度、吸能能力及能量吸收率的影响。研究表明，铝泡沫在球形压头作用下的响应曲线可采用幂函数形式进行描述，幂函数指数随相对密度的增大而线性增加。铝泡沫压痕处的断面显示铝泡沫变形被严格限制在压头之下，铝泡沫的压痕变形是局部的不均匀变形。铝泡沫的压痕硬度及吸能能力均随压头直径的增大而线性减小，但它们却均随铝泡沫相对密度的增大而线性增大；能量吸收率不随压头直径和铝泡沫相对密度而变化。在一定压痕深度范围内，刚性基础和简支条件对铝泡沫的压痕响应影响可以忽略不计。最后基于实验数据分别建立了压痕硬度和吸能能力与压头直径及铝泡沫相对密度的关系。
2010, 27(2): 84-89.
摘要:
针对编织类纤维增强体的纤维束之间与纤维束内孔隙的双尺度特点，建立了平纹织物的细观结构模型，并推导了汇函数的数学表达式。建立了局部细观流动特征的非饱和流动控制方程，利用有限元/控制体积方法求解，得到了局部饱和度分布。与实验进行比较，吻合较好。
针对编织类纤维增强体的纤维束之间与纤维束内孔隙的双尺度特点，建立了平纹织物的细观结构模型，并推导了汇函数的数学表达式。建立了局部细观流动特征的非饱和流动控制方程，利用有限元/控制体积方法求解，得到了局部饱和度分布。与实验进行比较，吻合较好。
2010, 27(2): 90-94.
摘要:
通过对RTM工艺的分析，可知固化过程是复合材料成型一个非常重要的阶段。本文中运用控制体积法和差分法对固化过程进行了数值模拟，将来自放热化学反应的非线性热源项处理成节点集中载荷。以厚板构件为例，与已发表的实验数据进行了比较，结果表明本文方法的正确性，并在此基础上分析了固化工艺对材料性能的影响。
通过对RTM工艺的分析，可知固化过程是复合材料成型一个非常重要的阶段。本文中运用控制体积法和差分法对固化过程进行了数值模拟，将来自放热化学反应的非线性热源项处理成节点集中载荷。以厚板构件为例，与已发表的实验数据进行了比较，结果表明本文方法的正确性，并在此基础上分析了固化工艺对材料性能的影响。
2010, 27(2): 95-100.
摘要:
为了解决含有橡胶材料的界面断裂问题，提出了一种改进的虚裂纹闭合技术，该技术采用逐步线性化的方法，同时考虑了材料非线性与几何非线性的影响。首先，计算了双裂纹橡胶试件裂纹尖端的能量释放率，通过与已有文献的比较，可知所提出的改进的虚裂纹闭合技术是可靠、有效的。其次，对含有橡胶夹层的SLB模型进行了研究，通过计算分层前缘能量释放率Ⅰ型、Ⅱ型分量，和其与总能量释放率的比值，可知橡胶材料的引入使结构的能量释放率总量增大，Ⅱ型分量的比例明显增大。在多材料体系连接结构的断裂分析中，计算了不同分层位置下裂纹的能量释放率，并考虑了外层纤维缠绕层尺寸变化对能量释放率的影响。提出了相应的多材料体系构件的断裂准则。
为了解决含有橡胶材料的界面断裂问题，提出了一种改进的虚裂纹闭合技术，该技术采用逐步线性化的方法，同时考虑了材料非线性与几何非线性的影响。首先，计算了双裂纹橡胶试件裂纹尖端的能量释放率，通过与已有文献的比较，可知所提出的改进的虚裂纹闭合技术是可靠、有效的。其次，对含有橡胶夹层的SLB模型进行了研究，通过计算分层前缘能量释放率Ⅰ型、Ⅱ型分量，和其与总能量释放率的比值，可知橡胶材料的引入使结构的能量释放率总量增大，Ⅱ型分量的比例明显增大。在多材料体系连接结构的断裂分析中，计算了不同分层位置下裂纹的能量释放率，并考虑了外层纤维缠绕层尺寸变化对能量释放率的影响。提出了相应的多材料体系构件的断裂准则。
2010, 27(2): 101-107.
摘要:
研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法，有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理，在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中，确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明，该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域，定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。
研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法，有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理，在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中，确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明，该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域，定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。
2010, 27(2): 108-112.
摘要:
均匀化方法是一种适应于周期性构造复合材料有效性能预测的有效方法。然而均匀化方程数学表达形式复杂, 均匀化方法很难直接应用通用有限元软件进行计算, 因此本文中提出一种便于求解均匀化方程的边界力方法, 利用高斯定理将原均匀化问题转化为普通的三维应力问题, 给出了单胞中不同材料交界面上作用的面分布力形式。运用有限元软件求解了均匀化系数, 预报了单向复合材料和三维四向编织复合材料的有效性能, 计算结果与实验吻合很好。
均匀化方法是一种适应于周期性构造复合材料有效性能预测的有效方法。然而均匀化方程数学表达形式复杂, 均匀化方法很难直接应用通用有限元软件进行计算, 因此本文中提出一种便于求解均匀化方程的边界力方法, 利用高斯定理将原均匀化问题转化为普通的三维应力问题, 给出了单胞中不同材料交界面上作用的面分布力形式。运用有限元软件求解了均匀化系数, 预报了单向复合材料和三维四向编织复合材料的有效性能, 计算结果与实验吻合很好。
2010, 27(2): 113-116.
摘要:
将考虑湿热效应的经典层合板理论引入有限元方法中, 通过精确考察单层板等效参数衰减、追踪初始破坏后的卸载以及对最终破坏进行判定, 在精确预测湿热环境对复合材料性能影响的同时追踪了损伤演化过程。通过建立湿-热-力耦合下复合材料宏观性能的定量表达式, 发展湿-热-力耦合环境下复合材料性能演化表征与预测方法, 实现在有限元分析中考虑湿热效应的影响。对3 种不同铺层方式复合材料层合板进行湿热环境试验研究, 并利用本文中分析方法进行损伤模拟, 分析结果与实验结果符合得较好。
将考虑湿热效应的经典层合板理论引入有限元方法中, 通过精确考察单层板等效参数衰减、追踪初始破坏后的卸载以及对最终破坏进行判定, 在精确预测湿热环境对复合材料性能影响的同时追踪了损伤演化过程。通过建立湿-热-力耦合下复合材料宏观性能的定量表达式, 发展湿-热-力耦合环境下复合材料性能演化表征与预测方法, 实现在有限元分析中考虑湿热效应的影响。对3 种不同铺层方式复合材料层合板进行湿热环境试验研究, 并利用本文中分析方法进行损伤模拟, 分析结果与实验结果符合得较好。
2010, 27(2): 117-122.
摘要:
现代直升机旋翼桨叶通常需要进行损伤容限分析与设计, 损伤对桨叶结构振动特性的影响是其中的重要内容之一。利用有限元法对选定的直升机复合材料桨叶翼段进行了穿孔损伤后的振动特性分析, 并与无损伤的翼段进行了比较, 得到了振动特性与穿孔大小及其位置的关系。结果表明: 旋转翼段的振动模态与静态翼段相同, 但各阶频率有所提高; 穿孔越大对翼段造成的损伤越大, 但穿孔损伤没有改变翼段的振动模态, 对翼段的振动频率影响也比较小; 不同阶次的振动频率随穿孔的位置变化趋势各不相同, 根部与前缘的穿孔损伤对翼段频率的影响较大。
现代直升机旋翼桨叶通常需要进行损伤容限分析与设计, 损伤对桨叶结构振动特性的影响是其中的重要内容之一。利用有限元法对选定的直升机复合材料桨叶翼段进行了穿孔损伤后的振动特性分析, 并与无损伤的翼段进行了比较, 得到了振动特性与穿孔大小及其位置的关系。结果表明: 旋转翼段的振动模态与静态翼段相同, 但各阶频率有所提高; 穿孔越大对翼段造成的损伤越大, 但穿孔损伤没有改变翼段的振动模态, 对翼段的振动频率影响也比较小; 不同阶次的振动频率随穿孔的位置变化趋势各不相同, 根部与前缘的穿孔损伤对翼段频率的影响较大。
2010, 27(2): 123-126.
摘要:
基于界面元法研究了含有不确定参数复合材料层合板分层的问题, 以区间数学为基础, 将不确定参数区间定量化, 提出一种含有不确定参数复合材料层合板分层的区间分析方法, 并从数学证明和数值算例两方面与概率方法进行对比, 验证区间分析方法的可靠性。通过区间分析方法给出了不确定参数对DCB (Double cantilever beam) 分层临界载荷的影响, 并且得到在一定初始裂纹长度或铺层数量下, 具有不确定参数DCB 承载临界载荷的上下界值, 这为不确定结构设计提供一定的依据。
基于界面元法研究了含有不确定参数复合材料层合板分层的问题, 以区间数学为基础, 将不确定参数区间定量化, 提出一种含有不确定参数复合材料层合板分层的区间分析方法, 并从数学证明和数值算例两方面与概率方法进行对比, 验证区间分析方法的可靠性。通过区间分析方法给出了不确定参数对DCB (Double cantilever beam) 分层临界载荷的影响, 并且得到在一定初始裂纹长度或铺层数量下, 具有不确定参数DCB 承载临界载荷的上下界值, 这为不确定结构设计提供一定的依据。
2010, 27(2): 127-132.
摘要:
针对气动弹性结构, 利用遗传-敏度混合算法开展鲁棒优化设计。以大展弦比复合材料机翼的鲁棒气动弹性结构优化设计为例验证了鲁棒设计方法的适用性和有效性, 比较了鲁棒结构优化设计与传统优化设计的区别。研究结果表明: 在设计变量存在不确定性的情况下, 考虑鲁棒性约束优化得到的结构较传统优化结构具有更好的抗干扰性; 但鲁棒性的满足是以增加结构质量为代价的, 鲁棒性要求越高, 结构增重越明显。
针对气动弹性结构, 利用遗传-敏度混合算法开展鲁棒优化设计。以大展弦比复合材料机翼的鲁棒气动弹性结构优化设计为例验证了鲁棒设计方法的适用性和有效性, 比较了鲁棒结构优化设计与传统优化设计的区别。研究结果表明: 在设计变量存在不确定性的情况下, 考虑鲁棒性约束优化得到的结构较传统优化结构具有更好的抗干扰性; 但鲁棒性的满足是以增加结构质量为代价的, 鲁棒性要求越高, 结构增重越明显。
2010, 27(2): 133-139.
摘要:
为了研究平纹机织玻璃纤维复合材料SW200/LWR-2 的面内压缩力学性能并建立其本构模型, 对其进行了应变率为0. 001 s-1 、0. 1 s-1 、500 s-1 , 温度从- 55 ℃到100 ℃范围内的面内压缩实验研究。动态压缩实验在SHPB 装置上进行, 通过波形整形器实现了恒定应变率加载, 且经过验证试样两端应力平衡。实验结果表明, SW200/ LWR-2 复合材料性能具有明显的应变率敏感性及温度敏感性, 其强度随着应变率的升高而增大, 随着温度的升高而减小。对破坏后试样进行宏观及微观观察发现, 准静态加载时试样为剪切破坏, 伴随大量纤维束内脱粘和纤维拔出; 动态加载时试样为剪切破坏与分层破坏并存, 并出现大量碎屑, 纤维束为整束剪断, 束内脱粘受到抑制。根据损伤力学理论, 建立了SW200/ LWR-2 复合材料应变率及温度相关面内压缩损伤统计本构模型, 本构模型结果与实验结果吻合较好。
为了研究平纹机织玻璃纤维复合材料SW200/LWR-2 的面内压缩力学性能并建立其本构模型, 对其进行了应变率为0. 001 s-1 、0. 1 s-1 、500 s-1 , 温度从- 55 ℃到100 ℃范围内的面内压缩实验研究。动态压缩实验在SHPB 装置上进行, 通过波形整形器实现了恒定应变率加载, 且经过验证试样两端应力平衡。实验结果表明, SW200/ LWR-2 复合材料性能具有明显的应变率敏感性及温度敏感性, 其强度随着应变率的升高而增大, 随着温度的升高而减小。对破坏后试样进行宏观及微观观察发现, 准静态加载时试样为剪切破坏, 伴随大量纤维束内脱粘和纤维拔出; 动态加载时试样为剪切破坏与分层破坏并存, 并出现大量碎屑, 纤维束为整束剪断, 束内脱粘受到抑制。根据损伤力学理论, 建立了SW200/ LWR-2 复合材料应变率及温度相关面内压缩损伤统计本构模型, 本构模型结果与实验结果吻合较好。
2010, 27(2): 140-147.
摘要:
针对纤维束增强复合材料, 提出了双层次随机扩大临界核模型。以复合材料制造工艺为基础建立了纤维间距和纤维束中纤维根数的计算模型, 将复合材料中的纤维分为2 个层次: 纤维束和纤维束群, 并提出父核和子核的概念对临界核的构成进行了区分, 用Beyerlein 公式计算纤维束群中纤维束相继失效引起的纤维束的平均应力集中因子, 用Sivasambu 公式来计算纤维束中纤维相继断裂造成的纤维的应力集中因子。然后, 以纤维断裂蔓延的主要模式为基础, 将逐渐增大的无效长度引入纤维束内部, 根据统计学理论推导相应的复合材料破坏概率计算公式。编制了相关程序, 通过该程序分别预测了S 玻纤、E 玻纤、玄武岩纤维无捻单向纤维布增强复合材料试件的拉伸强度。对3 种复合材料板进行了拉伸强度及基体的拉伸和剪切实验, 并对比了预测结果与实验结果。研究结果显示, 直接将实验对象的材料、几何参数代入就能得到与实验结果吻合的预测结果。
针对纤维束增强复合材料, 提出了双层次随机扩大临界核模型。以复合材料制造工艺为基础建立了纤维间距和纤维束中纤维根数的计算模型, 将复合材料中的纤维分为2 个层次: 纤维束和纤维束群, 并提出父核和子核的概念对临界核的构成进行了区分, 用Beyerlein 公式计算纤维束群中纤维束相继失效引起的纤维束的平均应力集中因子, 用Sivasambu 公式来计算纤维束中纤维相继断裂造成的纤维的应力集中因子。然后, 以纤维断裂蔓延的主要模式为基础, 将逐渐增大的无效长度引入纤维束内部, 根据统计学理论推导相应的复合材料破坏概率计算公式。编制了相关程序, 通过该程序分别预测了S 玻纤、E 玻纤、玄武岩纤维无捻单向纤维布增强复合材料试件的拉伸强度。对3 种复合材料板进行了拉伸强度及基体的拉伸和剪切实验, 并对比了预测结果与实验结果。研究结果显示, 直接将实验对象的材料、几何参数代入就能得到与实验结果吻合的预测结果。
2010, 27(2): 148-153.
摘要:
在实验观察的基础上, 考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化, 修正了现有的细观结构模型, 建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D 有限元法计算了材料的轴向弹性模量, 数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布, 为材料进一步的强度预测奠定了基础。
在实验观察的基础上, 考虑轴纱的挤压变形及纱线填充因子变化, 修正了现有的细观结构模型, 建立了更加真实反映三维五向编织复合材料内部编织结构的单胞模型。利用该模型采用3D 有限元法计算了材料的轴向弹性模量, 数值预测与实验数据吻合较好。分析了单胞在拉伸载荷作用下的细观应力分布, 为材料进一步的强度预测奠定了基础。
2010, 27(2): 154-160.
摘要:
预定型织物是一种用于纺织复合材料液态成型的新型材料, 可以提高复合材料构件的形状精度和尺寸精度。由于织物中存在定型剂, 使织物材料的性能发生改变。基于像框剪切试验, 建立预定型平纹织物剪切变形的理论模型。与干态织物相比, 重点分析了预定型织物中纱线的弯曲刚度和纱线摩擦系数的变化对剪切性能的影响; 同时模型中考虑了剪切过程中纱线轴向力的变化对剪切性能的影响。另外, 利用立式显微镜观察了在纱线挤压阶段纱线宽度变化的规律, 考虑了定型剂和织物结构对纱线宽度变化的影响。根据平衡方程得到预定型平纹织物的剪切模型, 通过与试验结果比较, 该模型可以较好地预测预定型平纹织物的剪切变形性能。
预定型织物是一种用于纺织复合材料液态成型的新型材料, 可以提高复合材料构件的形状精度和尺寸精度。由于织物中存在定型剂, 使织物材料的性能发生改变。基于像框剪切试验, 建立预定型平纹织物剪切变形的理论模型。与干态织物相比, 重点分析了预定型织物中纱线的弯曲刚度和纱线摩擦系数的变化对剪切性能的影响; 同时模型中考虑了剪切过程中纱线轴向力的变化对剪切性能的影响。另外, 利用立式显微镜观察了在纱线挤压阶段纱线宽度变化的规律, 考虑了定型剂和织物结构对纱线宽度变化的影响。根据平衡方程得到预定型平纹织物的剪切模型, 通过与试验结果比较, 该模型可以较好地预测预定型平纹织物的剪切变形性能。
2010, 27(2): 161-168.
摘要:
建立了Ⅰ型与Ⅱ型失效模式耦合的粘聚单元本构模型, 并通过模拟双悬臂梁实验进行了验证。将粘聚单元插入填充区任何2 个实体单元之间, 预测填充区的随机裂纹, 模拟了接头在拉伸载荷下的失效。计算了复合材料基体、界面胶膜、填充物3 者不同强度、填充区半径、填充物刚度等多种情况下接头的拉伸失效。计算结果表明: 复合材料基体、界面胶膜、填充物3 者的强度显著影响接头的承载能力与失效模式; 随着填充区半径增大, 结构承载能力也随之提高。试验结果验证了模拟结果。
建立了Ⅰ型与Ⅱ型失效模式耦合的粘聚单元本构模型, 并通过模拟双悬臂梁实验进行了验证。将粘聚单元插入填充区任何2 个实体单元之间, 预测填充区的随机裂纹, 模拟了接头在拉伸载荷下的失效。计算了复合材料基体、界面胶膜、填充物3 者不同强度、填充区半径、填充物刚度等多种情况下接头的拉伸失效。计算结果表明: 复合材料基体、界面胶膜、填充物3 者的强度显著影响接头的承载能力与失效模式; 随着填充区半径增大, 结构承载能力也随之提高。试验结果验证了模拟结果。
2010, 27(2): 169-175.
摘要:
基于超声导波的频散方程及位移场表达式, 对单向碳纤维/ 环氧复合板中传播的超声导波的幅度谱进行了数值研究, 得到了能全面、直观反映复合材料板材疲劳损伤程度的超声导波幅度谱的灰度图。数值分析表明,当复合材料板材承受拉伸或弯曲载荷时, 其等效杨氏模量或等效剪切模量的变化率, 与超声导波幅度谱的灰度平均值之间存在单调的对应关系。采用超声导波的幅度谱方法可望能有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤。
基于超声导波的频散方程及位移场表达式, 对单向碳纤维/ 环氧复合板中传播的超声导波的幅度谱进行了数值研究, 得到了能全面、直观反映复合材料板材疲劳损伤程度的超声导波幅度谱的灰度图。数值分析表明,当复合材料板材承受拉伸或弯曲载荷时, 其等效杨氏模量或等效剪切模量的变化率, 与超声导波幅度谱的灰度平均值之间存在单调的对应关系。采用超声导波的幅度谱方法可望能有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤。
2010, 27(2): 176-182.
摘要:
考虑几何非线性项和阻尼的影响, 给出了四边简支的正交各向异性矩形层合板在两项横向简谐激励作用下的非线性振动微分方程, 利用伽辽金法导出了相应的达芬型非线性强迫振动方程。应用多尺度法对组合共振问题进行求解, 得到了系统在稳态运动下的幅频响应方程。基于李雅普诺夫稳定性理论, 得到了解的稳定性判定条件。通过数值算例, 分析了不同参数对系统组合共振及其分岔特性的影响。结果表明, 随着调谐参数、板厚度、阻尼系数以及激励力等参数的改变, 系统存在多幅值现象、滞后现象和跳跃现象, 出现不稳定解, 且在某些参数点处具有运动性态发生变化的分岔特性, 表现出较为复杂的动力学特性。
考虑几何非线性项和阻尼的影响, 给出了四边简支的正交各向异性矩形层合板在两项横向简谐激励作用下的非线性振动微分方程, 利用伽辽金法导出了相应的达芬型非线性强迫振动方程。应用多尺度法对组合共振问题进行求解, 得到了系统在稳态运动下的幅频响应方程。基于李雅普诺夫稳定性理论, 得到了解的稳定性判定条件。通过数值算例, 分析了不同参数对系统组合共振及其分岔特性的影响。结果表明, 随着调谐参数、板厚度、阻尼系数以及激励力等参数的改变, 系统存在多幅值现象、滞后现象和跳跃现象, 出现不稳定解, 且在某些参数点处具有运动性态发生变化的分岔特性, 表现出较为复杂的动力学特性。
