微观力学的前沿研究

 

比较了Tandon Weng（T-W）、Halpin Tsai（H-T）微观力学模型和用于确定单向取向短纤维复合材料刚度的渐近均匀化方法（NIAH）的新数值实现。基于严格的数学理论，NIAH可以很容易地使用商业软件作为黑匣子来实现，作为代表性的体积方法。基于最优Latin-hy撞击采样方法，使用随机序贯吸附技术（RSA）生成了代表性体积单元（RVE）模型。对于任意纤维取向，将NIAH方法与T-W和H-T微观力学模型的取向平均进行了比较。发现这三种方法在预测短纤维复合材料的有效性能方面非常一致。最后，将三种方法计算的结果与实验值进行了比较。结果表明，本文中的三种方法与测量值非常吻合。然而，对于具有纤维长度和纤维直径分布的随机取向短纤维复合材料，NIAH方法仍然可以提供具有足够预测精度的计算结果，而其他两种方法并不更有效。

 

 

 

 

本研究提出了一种新的三维（3D）微观力学近场动力学（PD）模型，以建立纤维形状、尺寸和分布、损伤起始和尺寸效应关系等微观结构特征之间的关系。它特别允许研究复合材料的有效弹性性能和损伤机制。它能够应用纯应变、纯应力和混合应力-应变约束，同时考虑温度变化的影响。此外，它允许从单一负载情况评估有效的材料性能。通过使用微观结构另一侧的材料点完成相互作用域，自然地应用了周期性边界条件。此外，该3D PD微观力学模型不需要对均匀化和去均匀化进行任何表面校正。通过基于状态的PD构建和分析复合材料的复杂异质微观结构。在渐进损伤分析过程中考虑了材料的可变性，以捕捉更真实的失效机制。围动力预测恢复了文献中可用的结果；从而验证了本微观力学模型的准确性和有效性。

 

 

 

 

 

众所周知，整体水泥基材料的力学行为受到其颗粒性质的显著影响。本文描述了一种基于颗粒微观力学范式和热力学的方法，将粒度对水泥基材料的影响结合起来。因此，已经推导出了利用晶粒尺度力-位移关系的宏观尺度本构方程。在这一推导中，基于热力学框架建立了晶粒自由能和耗散与宏观尺度行为之间的联系。根据晶粒对相互作用的自由能，得到了柯西应力张量的表达式。此外，利用晶粒对相互作用的自由能和耗散势，我们发现了一个晶粒尺度的克劳修斯-迪昂型不等式。因此，颗粒间本构方程是以通常的方式获得的，除了这些方程基于简单的物理激励自由能和耗散函数，这些函数是根据颗粒对相互作用公式化的。导出的模型用于模拟文献中报道的各种实验测试，以评估多轴条件下的材料响应。对结果进行分析，旨在揭示晶粒尺度机制与宏观尺度行为之间的联系。

 

 

 

准脆性材料由于其复杂的介观成分和微观缺陷而表现出显著的异质性，其宏观力学行为在很大程度上取决于裂纹的萌生、扩展和摩擦滑移。在这项研究中，通过耦合微平面和微观力学，提出了一种新的本构模型，可以考虑准脆性材料的细观损伤和塑性机制。微平面用于模型的整个构建过程：首先，建立代表性体积单元（RVE）来表征准脆性材料的介观结构，并充分利用微平面的优点来表征等效裂纹-基体系统。然后，阐明了宏观应变和微平面应变（应力）之间的关系。其次，考虑裂纹的单边效应，建立了微平面和RVE的自由能势函数表达式。第三，对于每个微平面，为开放和封闭裂纹构建了以损伤驱动力为特征的损伤准则，特别是构建了一个新的塑性准则，描述了应变软化变形过程中静摩擦特性耦合损伤和扩容行为。通过考虑微平面将宏观和介观应力应变联系起来的特点，推导出了一种基于牛顿-拉夫逊方法的高效返回映射算法。最后，模拟了常规三轴压缩、单轴拉伸、直剪和真三轴压缩应力路径下的应力-应变曲线以及损伤和塑性的演变，并通过与实验数据的比较验证了模型的有效性。为了更好地反映细观损伤与宏观力学行为之间的内在相关性，建立了一种可以直观地表征损伤细观演化特征的微平面结构，结果表明，模拟结果与花岗岩样品在不同加载路径下的宏观变形和破坏模式非常吻合。

 

 

 

 

开发了计算微观力学（CMM）模型来分析纤维扭结，这是纤维增强复合材料在纵向压缩载荷下发生的一种失效机制。CMM模型由一根AS4碳纤维组成，初始错位嵌入8552聚合物基质中。模型的变形受周期性边界条件（PBC）的控制。相对简单的CMM模型能够评估纤维初始错位、基体剪切屈服和纤维基体脱粘所起的作用。开发了一种新的微尺度实验技术，用于表征纤维的纵向抗压强度Xc-f。通过运用该模型并将其与文献中的几个模型进行比较，复合材料层的非线性剪切响应不仅在预测抗压强度Xc方面发挥着重要作用，而且在残余应力σr和纤维旋转φ的峰值后阶段也发挥着重要作用。最后，通过准度量研究评估了纤维-基体界面损伤（在大多数其他纤维扭结模型中未考虑）对纤维扭结现象的影响。