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纤维/聚合物泡沫复合材料的增强机理及模量预测

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材料导报 2012年第9期26卷 86-89页

作者：杨继年许爱琴安徽理工大学材料科学与工程学院淮南232001 北京美盛沃利工程技术有限公司南京分公司南京210019

主要概述了纤维/聚合物泡沫复合材料性能的影响因素,总结了纤维的增强机理,讨论并分析了应用Halpin-Kerner模型及其修正公式进行模量预测的可行性及与实测值存在偏差的原因,最后指出采用有限元建模将能考虑到更多的影响因素,模量预测结... 详细信息

主要概述了纤维/聚合物泡沫复合材料性能的影响因素,总结了纤维的增强机理,讨论并分析了应用Halpin-Kerner模型及其修正公式进行模量预测的可行性及与实测值存在偏差的原因,最后指出采用有限元建模将能考虑到更多的影响因素,模量预测结果更为接近实验结果。

关键词：纤维泡沫复合材料增强机理模量预测

对尼龙短纤维-丁苯橡胶复合材料模量的影响因素及模量的预测

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复合材料学报 1990年第4期7卷 53-59页

作者：李晨周彦豪北京化工学院高分子系

本文讨论了几种因素对尼龙短纤维补强弹性体的杨氏模量的影响。在Halpin-Tsai方程的基础上提出了一个半经验方程,用来预测复合材料的模量,该方程的预测值与实验结果有较好的一致性。

关键词：模量预测尼龙短纤维丁苯橡胶短纤维-橡胶复合材料

基于DDM的陶瓷复材响应模拟并行算法及定制软件研制

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基于DDM的陶瓷复材响应模拟并行算法及定制软件研制

作者：周俊杰西南交通大学

学位级别：硕士

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC)因其低密度、长寿命及高温环境下优异的机械与化学性能,被广泛应用于航空航天业飞行器发动机热端部件、外壳等关键部件。长期以来,此类材料研发和性能调优多采用实验试错法,存在研发周期长、经济成... 详细信息

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CFRCMC)因其低密度、长寿命及高温环境下优异的机械与化学性能,被广泛应用于航空航天业飞行器发动机热端部件、外壳等关键部件。长期以来,此类材料研发和性能调优多采用实验试错法,存在研发周期长、经济成本高、存在极大的偶然性等问题,且难以进行量化搜优,导致该学科研究进展缓慢。近年来,随着计算机性能的提高与细观力学、计算力学等理论的不断完善,CFRCMC研究逐渐由试错法转变为数值模拟设计微观结构并预测宏观性能与实验制备验证结果相结合,有效提高了复合材料研发效率,同时极大地缩短了材料研制至实际服役的周期。CFRCMC在细观尺度纤维束截面形状与编织方式多样,且存在大量自然裂纹与孔隙,导致其微结构极其复杂,为获取精确的数值结果需要提升仿真模型规模,对计算机处理器性能的要求较高。以往对该类材料性能的数值模拟通常采用串行程序计算,依靠单核性能提升以提升求解效率,但近15年来处理器主频提升不足30%,导致单核性能提升有限,处理器性能提升方式转变为增加核心数量,促成现在每台计算机都是并行机器。因此,着重对并行算法展开研究才能有效利用所有计算资源求解大规模问题。区域分解算法以区域分块的方式进行大规模计算域分解和并行计算,且具有不同子域可独立进行求解的特点,十分契合当前CFRCMC大规模数值模拟问题。本文针对如何调动已有计算资源提高CFRCMC大规模数值模拟问题的求解效率,提出基于区域分解算法的CFRCMC有效模量预测和瞬态分析并行解决方案,并进行数值实现、验证准确性和量化分析并行评价指标,论文研究主要包括以下四个方面:(1)区域分解算法理论推导及其线性代数迭代算子改进:基于区域分解理论建立3D连续体有限元准静态和动态问题控制方程并行求解策略。根据控制方程种类分别改进已有迭代过程代数算子求解方法,使该算法能更好地结合当前大规模线性方程求解器,以提升求解第一类边值问题的效率。(2)将建立的区域分解并行策略应用于CFRCMC宏观力学性能预测:首先编写CFRCMC单胞参数化建模程序。其次在有限元模型的建立中结合Open MP实现了单元刚度矩阵多线程并行计算。此后,在课题组自行开发并已经验证的位移响应串行求解程序的基础上,采用区域分解工具METIS对单胞模型进行分块,采用Restricted Additive Schwarz(RAS)算法调用方程求解器,对CFRCMC单胞模型位移响应进行并行求解。而后对比串行求解结果,以验证并行求解的正确性和准确性。最后对并行求解性能进行量化评价。(3)将建立的区域分解并行策略应用于CFRCMC机翼模型瞬态响应仿真:首先根据机翼截面选型建立机翼模型,其次划分机翼模型网格并建立其有限元模型。此后,在课题组自行开发并已经验证的瞬态分析串行求解程序的基础上,采用METIS对机翼模型进行分块,采用RAS算法调用方程求解器,对CFRCMC机翼模型瞬态分析进行并行求解。而后对比串行求解结果,以验证并行求解的正确性和准确性,并对并行求解性能进行量化评价。最后与有效模量预测中不同的并行效率展开对比,分析其原因。(4)CFRCMC仿真软件研制:考虑到程序功能可扩展性、跨平台开发和求解效率,本文选用C++语言、Qt开发平台、VTK可视化工具包,开发具有参数化建模、有效模量预测及瞬态分析功能的仿真软件CFRCMC(V2.0),实现CFRCMC微结构数字化设计与性能快速预测。

关键词：连续纤维增韧陶瓷基复合材料区域分解算法模量预测并行评价指标仿真软件

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碳纤维复合电极材料细观建模与拉伸模量预报

计算机仿真 2019年第2期36卷 178-182,208页

作者：张泽天赵海涛陈吉安上海交通大学航空航天学院上海200240

预测含复杂结构的多相复合材料等效弹性属性一直是当今复合材料领域研究的重点方向。针对微观随机分布孔隙/通道的多相复合电极材料建模困难计算精度低的问题,提出了三维随机生长算法来模拟材料基体的复杂孔洞结构,建立了含复杂微观结... 详细信息

预测含复杂结构的多相复合材料等效弹性属性一直是当今复合材料领域研究的重点方向。针对微观随机分布孔隙/通道的多相复合电极材料建模困难计算精度低的问题,提出了三维随机生长算法来模拟材料基体的复杂孔洞结构,建立了含复杂微观结构的有限元模型,并对复合材料的宏观等效弹性性能进行计算,计算结果表明,基于三维随机生长方法建立的含复杂微观结构的单胞模型,计算结果与文献实验数据吻合,上述建模方法能够有效的模拟复合材料电极的复杂微观结构并预报材料的拉伸性能。

关键词：聚合物基复合材料随机生长单胞多尺度分析模量预测

基于FWD路表动态弯沉盆参数的路基模量评价研究

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公路工程 2011年第2期36卷 4-8,12页

作者：罗启添邱欣杨青珠海市规划设计研究院广东珠海519000 浙江师范大学工学院浙江金华321004

为客观地反映既有路基的承载能力状况,基于结构动力学基本理论,建立了沥青路面结构的动力有限元数值分析模型,分析了路基模量参数与路表动态弯沉盆参数指标的相关关系,据此构建了路基模量参数的预测分析模型,并探讨了层间非连续接触、... 详细信息

为客观地反映既有路基的承载能力状况,基于结构动力学基本理论,建立了沥青路面结构的动力有限元数值分析模型,分析了路基模量参数与路表动态弯沉盆参数指标的相关关系,据此构建了路基模量参数的预测分析模型,并探讨了层间非连续接触、路面横向开裂及刚性层深度等因素条件对路基模量预测结果的影响。结果表明:路表动态弯沉盆参数指标与路基模量之间具有良好的相关性,路基模量可由直接弯沉参数指标d9、形状参数指标F8以及结构层厚度联合确定;路面开裂及层间非连续接触行为对路基模量参数的预测结果没有影响;当路基内刚性层深度小于6 m时,路基模量预测分析结果明显偏大。研究结果为进一步推广FWD测试设备在路基结构性能评定中的广泛应用提供了技术保障。

关键词：路基落锤式弯沉仪模量预测影响分析数值计算

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碳纳米管增强沥青混合料的力学性能研究

碳纳米管增强沥青混合料的力学性能研究

作者：杨骞浙江大学

学位级别：硕士

碳纳米管由于其独特的结构和优异的力学、电学、化学等各方面性能,是一种理想的改性填充材料。将碳纳米管作为热塑性材料的增强材料,可以提高基体材料的抗拉、抗压强度、耐磨损性和热稳定性,目前已有诸多以碳纳米管为增强体的热塑性化... 详细信息

碳纳米管由于其独特的结构和优异的力学、电学、化学等各方面性能,是一种理想的改性填充材料。将碳纳米管作为热塑性材料的增强材料,可以提高基体材料的抗拉、抗压强度、耐磨损性和热稳定性,目前已有诸多以碳纳米管为增强体的热塑性化合物研究,但将碳纳米管引入道路工程领域、将碳纳米管作为增强材料对沥青和沥青混合料进行改性的研究尚少。本文将多壁碳纳米管作为增强材料添加到70#道路沥青当中,对沥青进行改性,开展相关性能研究,探究碳纳米管增强沥青及沥青混合料的力学性能,并引入一种基于细观力学的有效弹性性质预测模型,对沥青胶浆及沥青混合料的宏观有效弹性性质进行预测。首先,本文研究了碳纳米管改性沥青的制作加工方式,制作出多壁碳纳米管改性沥青,并依照相关规范对多壁碳纳米管改性沥青进行了针入度和环球法软化点实验,并计算针入度指数、当量软化点、当量脆点和塑性温度范围,结果显示多壁碳纳米管对基质沥青的高、低温性能有较好的改善。进而,利用多壁碳纳米管改性沥青制作沥青胶浆,进行带预制裂缝的三点弯曲断裂实验,探究多壁碳纳米管改性沥青胶浆的断裂性能。本文制作了多壁碳纳米管沥青小梁试件并预制裂缝,使用万能实验机进行三点弯曲实验,并用夹片式位移计测量裂缝张开距离,并绘制相关位移-荷载曲线等。为了进一步了解多壁碳纳米管沥青断裂的微观机理,使用环境扫描电镜对多壁碳纳米管改性沥青胶浆小梁断口进行扫描。最后,引入并改善一种具有弹簧型界面的多步骤多夹杂复合材料有效弹性性质预测模型,对多壁碳纳米管改性沥青胶浆及沥青混合料的宏观弹性性质进行预测,从细观角度探究多壁碳纳米管对沥青胶浆和沥青混合料的宏观弹性性质的影响,并在此基础上对之前相关实验的结果进行进一步的分析,同时验证该方法的适用性。研究结果表明,多壁碳纳米管能够明显改善沥青的高、低温性能,能够增强沥青胶浆的韧性,提高沥青胶浆抗开裂的性能,延缓沥青胶浆在荷载作用下开裂过程,改善后的具模量预测模型在分析中能够避免过程对其的影响,明确的计算出增强材料对复合材料弹性性质的影响,且能够有效预测沥青胶浆及沥青混合料的宏观弹性性质。

关键词：碳纳米管沥青沥青混合料模量预测三点弯曲

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二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究

二维二轴编织铺层复合材料压缩性能研究

作者：徐倩东华大学

学位级别：硕士

编织铺层复合材料,国外学者大多称其为Over-braiding composites materials,它的应用领域越来越广泛,研究它的力学性能是目前国内外学者面临的主要问题之一。而且压缩性能作为力学性能中较难测定的难题之一,也是我们研究的重点方向。本... 详细信息

编织铺层复合材料,国外学者大多称其为Over-braiding composites materials,它的应用领域越来越广泛,研究它的力学性能是目前国内外学者面临的主要问题之一。而且压缩性能作为力学性能中较难测定的难题之一,也是我们研究的重点方向。本课题主要是对编织铺层复合材料的压缩性能进行探讨,目的是得推导出一套表征或者能够在一定程度上定量描述其压缩时的弹性性能的计算方法,并对其压缩破坏模式作简要分析。首先,在立体式二维编织机上编织,设计编织所用芯模的尺寸,编织不同层数的编织铺层复合材料,在MTS 647 Hydraulic Wedge Grip仪器上进行压缩试验,测试不同编织层数的试样,得到编织铺层复合材料的压缩数据。其次,通过在体式显微镜下,观测编织铺层复合材料纱线走向,考虑纱线在交织处屈曲起伏,纤维轴向模量会有部分损失,提出纤维轴向模量损失系数ξ。通过测量编织复合材料中的基本参数,结合复合材料细观结构、弹性力学、迭层理论和多层等效弹性力学模型,利用推导出一套比较简单而实用的二维两轴编织铺层复合材料平均压缩模量的计算方法。最后,分析讨论多层碳纤维/环氧树脂编织铺层复合材料的压缩性能。主要考虑不同层数下不同编织角度的编织铺层复合材料平均压缩模量的变化规律及编织铺层复合材料的压缩破坏模式。结论分析表明:一、提出了一套较为精确地计算2×2结构编织铺层复合材料单层和多层的压缩弹性性能的方法,结果表明,该套计算方法与实测结果非常接近,是可行的。该套计算方法比较简单,适合于工程应用,比如复合材料制备过程中的性能评价,复合材料制备工艺的控制与改进,复合材料产品的设计等。二、对于编织铺层复合材料的进行压缩试验后可知:(1)在纤维体积分数基本保持一致的情况下,同一块板内,若编织角有差异,则编织角影响复合材料的压缩性能。编织角大的平均压缩模量小。随着层数增加,厚度增大,编织铺层复合材料的平均压缩模量呈下降趋势。(2)材料在未压缩破坏前,应力-应变曲线呈线性状态,在压缩初始阶段呈现弹性变形,随着应变的增加,应力迅速上升到最高值,达到最高值,下降相对于来说比较缓慢。(3)编织铺层复合材料压缩破坏过程,最主要的破坏形式是分层现象,这种破坏时分层现象的程度是介于单向布铺层复合材料和三维编织复合材料之间的。在同一试验条件下,随层数增加,层数多的编织铺层复合材料的破坏程度比层数少的严重些。在同一层中,编织角小的内侧破坏比编织角大的外侧厉害些。裂纹与加载方向呈一定角度,裂纹扩展未超过有效压缩长度。

关键词：编织铺层复合材料细观结构等效力学模型模量预测压缩编织角

面向激光强化模具光整的复合气压砂轮性能研究

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面向激光强化模具光整的复合气压砂轮性能研究

作者：厉志安浙江工业大学

学位级别：硕士

激光强化技术广泛应用于自由曲面模具的加工制造,并大幅提高了模具的硬度、耐磨性和使用寿命,但同时也大幅增加了激光强化模具光整加工的难度,因此提高激光强化模具在光整加工阶段的效率具有极其重要的现实意义。针对以上技术难题,结合... 详细信息

激光强化技术广泛应用于自由曲面模具的加工制造,并大幅提高了模具的硬度、耐磨性和使用寿命,但同时也大幅增加了激光强化模具光整加工的难度,因此提高激光强化模具在光整加工阶段的效率具有极其重要的现实意义。针对以上技术难题,结合现有的软固结磨粒气压砂轮光整加工技术,本文主要研究利用芳纶浆粕增强气压砂轮基体来提高激光强化模具光整加工效率的方法,同时还改善了气压砂轮基体的抗撕裂性能,本文的主要工作和成果如下：1.分析了短纤维增强橡胶基复合材料的预处理方法、混炼与分散工艺以及短纤维的取向控制等工艺,为软固结磨粒气压砂轮成型工艺技术提供了理论支撑。通过研究短纤维在橡胶基体中的应力传递原理,推导了随机取向短纤维增强橡胶基复合材料的模量预测方法,为短纤维增强橡胶基复合材料的力学性能试验奠定了理论基础。2.通过对比分析确定了芳纶浆粕增强丁苯橡胶作为气压砂轮基体相,设计了芳纶浆粕增强气压砂轮基体的制备方法。对邵氏硬度为40HA、60HA、80HA的含不等量芳纶浆粕的标准试样进行了拉伸试验,验证了模量预测方法的可行性与准确性,并针对气压砂轮基体的撕裂现象进行了裤型试样的撕裂试验,验证了抗撕裂性能能得到有效提高。3.利用ANSYS有限元软件仿真分析了气压砂轮基体的振动模态特性、静态接触特性与气压砂轮光整过程中的滚动接触特性,得到了芳纶浆粕添加含量为0%、2.5%、3.3%、5%的气压砂轮基体的各阶频率、静态接触时的仿形能力,分析了滚动接触中芳纶浆粕对M型接触应力曲线的影响,为面向激光强化模具气压砂轮高效光整试验研究提供仿真依据。4.通过软固结磨粒气压砂轮与游离态磨粒气囊光整的对比试验,从加工后模具的表面粗糙度和材料去除量两方面验证了软固结气压砂轮在初期光整阶段的高效性。通过不同芳纶浆粕含量的软固结磨粒气压砂轮光整加工对比试验,获得了材料去除率与短纤维的含量之间的关系,并验证了添加芳纶浆粕能够有效增加气压砂轮基体的使用寿命。本文的研究成果为短纤维增强气压砂轮进行光整加工的应用奠定了理论基础,并为面向激光强化模具高效光整的气压砂轮加工方法提供了实际指导意义。

关键词：气压砂轮高效光整短纤维增强模量预测抗撕裂接触特性

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复合材料电极细观建模与力电性能预报

复合材料电极细观建模与力电性能预报

作者：张泽天上海交通大学

学位级别：硕士

复合材料电极基体存在复杂的三维交联孔洞结构,其内部孔隙由不承载的导电相填充,与传统的纤维增强复合材料微观结构有较大区别,采用传统细观力学分析方法建模困难。本文针对应用于多功能结构电池的多孔复合电极材料,提出了三维随机生长... 详细信息

复合材料电极基体存在复杂的三维交联孔洞结构,其内部孔隙由不承载的导电相填充,与传统的纤维增强复合材料微观结构有较大区别,采用传统细观力学分析方法建模困难。本文针对应用于多功能结构电池的多孔复合电极材料,提出了三维随机生长算法对复合材料电极基体的复杂孔洞交联结构进行细观建模,建立了反映真实微观复杂结构的复合材料细观力学单胞模型,并采用均匀化方法对电极材料的宏观等效弹性性能进行仿真。同时搭建了锂电池单粒子电化学模型,对复合材料电极的放电特性进行分析,为将来的多功能结构电池力电耦合研究作基础。研究内容主要有以下几个方面:1、基于MATLAB编程语言和逆向工程软件建立了一种参数化的复杂微观结构单胞模型生成方法。该算法基于蒙特卡洛原理,通过三维空间栅格内的点核在空间26个方向上的随机选择生长来模拟基体材料的形成过程,实现对复合材料电极的三维孔洞微观结构的模拟,最后通过参数化方法将点云数据转换成反映材料真实结构的三维实体模型。该方法可满足复杂孔洞交联结构细观建模的需要。2、基于三维随机生长算法建立具有复杂微观结构的细观力学单胞模型,在Abaqus平台上对复合材料单胞模型的宏观力学性能进行计算,计算结果与文献材料测试数据相吻合,表明建模方法和计算过程的准确性。并研究了树脂/基体百分数及各组分性能参数对材料宏观力学性能的影响,为复合材料电极的力学性能设计与优化提供依据。3、基于锂离子电池的单粒子电化学模型,在Matlab平台上对复合材料结构电池的放电性能进行仿真,将电极材料的细观结构参数和相关文献中的磷酸铁锂电池的电化学参数带入电化学模型中,研究了放电倍率、应力状态很负极弹性模量对复合材料电极放电特性的影响。本文的创新点在于针对一种多功能材料,采用随机生长方法建立了单胞分析模型,为将来多功能结构的力电耦合分析打下基础。

关键词：多孔电极复合材料单胞模量预测电化学模型