Verification and Validation of a Rapid Design Tool for the Analysis of the Composite Y-Joint of the D8 Double-Bubble Aircraft
聚合物复合材料接头是增强轻质结构和实现高生态效率运输标准的关键航空航天部件。优化复杂的结构节点是一个迭代过程。需要快速可靠的数值方法来克服高保真有限元（FE）建模的运行时间限制。这项工作提出了一种基于设计工具HyperX的计算效率高的方法。针对D8双泡体机身复合材料Y型接头进行了有限元模型验证和实验验证。结果表明，Y型接头的失效载荷的预测在10%的实验记录的失效载荷。采用基于应力的失效准则，对节点曲率（110° ~ 160°）和蒙皮厚度（16层、24层、32层）对失效载荷预测的影响进行了参数研究。最大失效载荷发生在曲率为130°的Y型接头。预测32层蒙皮Y型接头具有最高的失效载荷。结果证明了快速联合优化分析的适用性，更快，计算效率高的设计。
2023-02-17 cs.NA math.NA physics.app-ph
Sensitivity of void mediated failure to geometric design features of porous metals
由于内部孔隙率、表面粗糙度和与设计几何形状的一致性的不精确控制，由当前金属增材制造工艺生产的材料容易受到可变性能的影响。使用一个双U形缺口试样，我们调查的名义几何形状和孔隙率在确定延性破坏特性在单调拉伸载荷的相互作用。我们模拟的影响，分布孔隙度的塑性和损伤使用的统计模型的基础上人口的孔隙可见的计算机断层成像扫描和额外的亚阈值空隙所需的变形和故障的实验观察相匹配。我们解释模拟结果从物理的角度来看，并提供附近的应力集中的故障概率的统计模型。我们为材料缺陷可能导致意外故障的设计提供指导，具体取决于这些缺陷相对于标称几何特征的相对重要性。
2021-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Experimental and Theoretical Study of Thin-covered Composite Dowels considering Multiple Load Conditions
针对薄覆盖组合销钉，通过试验识别出受限锥体破坏新模式，结合参数分析建立承载力与工程设计模型，为其应用提供依据。
2025-02-26 physics.app-ph
Compressive performance and crack propagation in Al alloy/Ti2AlC composites
采用电流激活压力辅助熔渗工艺制备了多孔Ti 2AlC基体与Al 6061合金的复合材料。用铝合金填充不同尺寸的孔隙，制备了粗、中、细三种细观结构。材料进行单轴压缩载荷高达668 MPa的应力，导致通过在两个阶段中的裂纹扩展的试样的故障。通过X射线显微镜和电子显微镜对制造和失效后的试样进行分析。准静态力学测试结果表明，细结构复合材料的压缩强度最高。而粗糙结构的试样表现出相对于此的80%的压缩强度。重建的微尺度X射线断层扫描数据揭示了不同的裂纹扩展机制。大的平面剪切裂纹在整个精细结构的材料中传播，而较粗的试样表现出网络的分支裂纹传播优先沿Al合金-Ti 2AlC相界面和通过收缩孔在Al合金相。结果表明，控制孔隙率、补偿Al合金收缩和改善Al合金-Ti 2AlC相界面是设计高性能金属/Ti 2AlC相复合材料的关键。
2019-08-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Composite fabrics of conformal MoS2 grown on CNT fibers: tough battery anodes without metals or binders
在寻求提高电池性能的过程中，纳米结构化电池电极提供了具有导电性和固态扩散机制的架构，这些架构是基于聚集的球形微粒的传统电极所不可及的，同时通常还有助于其他不稳定活性材料的循环性。该工作描述了电极，其中活性材料和集电器形成为单个纳米结构的复合网络，由覆盖有在石墨层上优先对准生长的共形MoS 2的碳纳米管纤维的宏观织物组成，而没有金属集电器或任何导电或聚合物添加剂。CNTF/MoS 2的复合织物保持高韧性并显示出高达1.2S/m的面外电导率，高于避免电极的电传输限制性能的阈值（1 S/m），并且高于由分散的纳米碳制备的对照纳米复合LIB电极（0.1S/m）。与Li循环后，它们显示出高达0.7 Ah/g的比容量以及可观的倍率性能和低电流密度（在0.1 A/g下50次循环后108%的容量保持率）以及高电流密度（在1 A/g下250次循环后89%的容量保持率）下的循环稳定性。复合织物是柔性的，具有高达0.7J/g的高拉伸韧性，比常规电极或常规MoS 2材料高两个数量级，并且在不同电流密度下的全电极容量高于现有技术。
2021-07-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Lithography-Free, Manganese-Based Ultra-Broadband Absorption Through Annealing-Based Deformation of Thin Layers into metal-air composites
制作，表征和分析的超宽带光刻免费吸收。在450-1400 nm波长范围内，实验测得平均吸收率超过94%。这种超宽带吸收是通过一个简单的退火三层金属-绝缘体-金属（MIM）配置。结构中使用的金属是锰（Mn），这也使得结构具有成本效益。结果表明，该结构保持其高吸收TM偏振，高达70度，和TE偏振，高达50度。此外，这种宽带吸收背后的物理机制进行了解释。由于免光刻和成本效益高，该结构是大面积和大规模生产的理想选择。
2018-12-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
A Study on the Multi-axial Fatigue Failure Behavior of Notched Composite Laminates
复合材料结构在其使用寿命期间必须承受各种多轴应力状态，同时保证其结构完整性和功能性能。了解这些材料的疲劳行为，特别是在结构设计中普遍存在缺口的情况下，是本研究的核心，本研究对缺口准各向同性[+45/90/ $-$ 45/0] $_{s}$和交叉铺层[0/90] $_{2s}$层压板在多轴准静态和疲劳载荷下的断裂行为进行了全面研究。S-N曲线和刚度退化的调查，并通过微计算机断层成像的损伤机制的分析澄清的多轴度比和缺口配置的影响。此外，它允许得出的结论是，疲劳载荷下的损伤进展相比，准静态的情况下，可以有很大的不同。在制定有效的疲劳模型的未来努力，将需要考虑在所施加的载荷的类型，局部多轴比的演变，结构的尺寸和几何形状，和堆叠顺序的背景下的破坏行为的转变。通过为模型校准和验证提供重要数据，这项研究代表了实现这一重要目标的第一步。
2019-07-23 physics.app-ph
Mode I fracture toughness of asymmetric metal-composite adhesive joints
本文采用双悬臂梁（DCB）试验研究了异种金属-复合材料胶接接头的Ⅰ型断裂韧性。研究中的特殊接头是由薄钛板与薄碳纤维增强塑料（CFRP）层压板的粘合剂连接产生的，并设想在未来飞机的混合层流控制系统中实现。四种不同的工业技术的钛和CFRP粘合剂的连接进行了评估/比较;共粘结和不粘结剂和二次粘结使用热固性或热塑性CFRP。采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术制造面板。在制造之后，将板切割成测试样本，因为它们太薄（约2.4mm厚），需要用两个铝背衬梁从钛和复合材料侧进行加强，以确保钛在随后的DCB测试期间不屈服。为了从实验数据中确定接头的断裂韧性，作者最近开发了一种分析模型，该模型考虑了构成试样的两个子层压板的弯曲-延伸耦合以及制造引起的残余热应力。对于四个制造选项（MO）的调查，载荷-位移行为，故障模式，和断裂韧性性能进行了介绍和比较。
2020-05-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Investigation of Impact Energy Absorption and Damage in Woven Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite materials
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料提供了面内比强度和刚度的独特组合。然而，它们遭受相对差的平面外性能。改善这一点需要彻底了解它们对平面外载荷（如冲击）的行为。它们的冲击响应本质上非常复杂，这是由于它们的应变率相关特性、冲击过程中的渐进损伤以及它们的许多失效模式，例如分层、纤维或基体失效以及纤维压碎。本文通过试验和有限元软件LS-DYNA的数值模拟，对平纹编织CFRP层合板的响应进行了研究。进行了准静态和动态试验，以提供材料模型MAT 162的材料参数。一旦模拟得到验证，CFRP的冲击响应进行了研究，在不同的材料特性，能量吸收，和损坏模式。基于这些结果，提出了改善CFRP在冲击荷载下性能的策略。
2017-12-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Material combination optimization for brazed ceramic-metal composites using Artificial Intelligence
本研究提出基于人工智能的方法预测钎焊陶瓷-金属复合材料组合，发现多项式回归在单输出中表现最佳，而32-16-32结构的Autoencoder模型在多输出预测中误差极低。
2025-10-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Liquid Crystal Elastomer-Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, and Programmable Actuation by Induction Heating
液晶弹性体（LCE）是一种刺激响应材料，由于其具有大的、可编程的和完全可逆的应变的能力，其已经被广泛研究用于包括人工肌肉、形状变形结构和软机器人在内的应用。为了充分利用LCE的优势，非常需要快速、无约束和可编程的致动方法。在这里，我们报告了一种液晶半导体-液态金属（LCE-LM）复合材料，它可以通过涡流感应加热实现超快驱动和高加热可编程性。该复合材料由LM通过直接墨水书写（DIW）夹在两个3D打印LCE层之间组成。当受到高频交变磁场的作用时，这种复合材料可以在毫秒内被激活。通过移动磁场，可以在空间上控制涡电流以用于选择性致动。此外，通过对样品中的LM厚度分布进行编程，可以实现顺序加热。有了这些能力，LCE-LM复合材料被进一步开发用于弹出结构的多模态变形、地面全向机器人运动、水中目标物体操纵和爬行。
2023-02-27 physics.app-ph
Simulation of self-piercing rivetting processes in fibre reinforced polymers: Material modelling and parameter identification
对纤维增强复合材料与板料的自冲铆接过程进行了数值模拟。特别强调的是放在复合材料的变形和破坏行为的建模。与金属铆接过程的模拟不同，铆接过程需要模拟大的塑性形变，复合材料的力学响应通常由层内和层间损伤现象决定。根据聚合物基体的不同，粘弹性效应尤其会影响接头的长期性能。我们提出了一个系统的方法来建模的复合材料层压板，讨论了所使用的模型的局限性，并提出了参数识别的细节。均匀化技术应用于预测的复合材料的力学行为的有效各向异性的弹性和粘弹性材料的性能。与连续损伤方法相结合，该模型代表了单个层的变形和破坏行为。内聚区元素使分层过程的建模。后者的模型的参数是从实验中确定的。定义的材料模型的复合材料，最终利用在一个示例性的自冲铆接过程的模拟。
2021-08-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Evaluation of the tribological properties of metal matrix composite materials (MMCs) obtained by additive manufacturing using selective laser melting (SLM)
研究了Cr3C2陶瓷颗粒增强316L不锈钢基复合材料的力学性能和摩擦学性能。采用三种增强百分比（3、6和9wt.%）的钢基复合材料（SMC）由增材机械制造工艺（SLM：选择性激光熔化）制造。采用销盘磨损试验研究了其在室温下的磨损行为。使用扫描电子显微镜（SEM）分析磨损表面。结果表明，摩擦系数与增强量的变化没有明显的趋势或直接相关性，而磨损率随增强量的增加而降低。当质量分数为6%时，可获得较好的综合性能的强化。
2017-08-10 physics.app-ph
Investigating the Composite/Metal Interface and its Influence on the Electrical Resistance Measurement
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的优点使其在许多应用中成为合适的选择，并成为传统材料的理想替代品。使用CFRP复合材料的好处是由于其重量轻，刚度高，以及耐腐蚀性。因此，在飞机和风力机结构应用中使用CFRP复合材料具有快速增长的趋势。替代传统的航空级金属合金（铝、钛、镁等）CFRP复合材料的应用带来了新的挑战。例如，飞行中的飞机容易被闪电击中。为了承受如此大量的能量的注入，需要足够的电性能，主要是导电性。事实上，电导率（或其倒数，电阻）是代表任何材料变化的关键参数，它可以被认为是健康监测的指标。本文对AS 4/8552碳/环氧复合材料进行了脉冲和直流两种电流注入。记录测量的电阻的变化。在电流注入之后发生显著的电阻下降。此外，对这些复合材料进行四点弯曲测试，以将电阻变化与潜在的弯曲性能变化相关联。无论电流注入如何，试样的电阻变化和弯曲强度/模量变化之间没有明显的趋势。然而，观察到电流的注入影响接触电阻，使得其电阻减小。
2018-04-14 physics.app-ph
A heteroencoder architecture for prediction of failure locations in porous metals using variational inference
Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；University of Michigan（密歇根大学）
在这项工作中，我们采用了编码器-解码器卷积神经网络预测多孔金属拉伸试样的故障位置的基础上，只有他们的初始孔隙率。我们的模型的过程是复杂的，从最初的空隙成核，饱和，并最终失败的进展。预测失效位置的目的是提出一个极端的情况下，类不平衡，因为大多数的材料在标本不失败。为了应对这一挑战，我们开发并证明了基于数据和损失的正则化方法的有效性。由于有相当大的敏感性的故障位置的特定配置的空隙，我们还使用变分推理提供的神经网络预测的不确定性。我们在理论层面上连接了确定性和贝叶斯卷积神经网络，以解释变分推理如何使训练和预测规则化。我们证明，由此产生的预测方差是有效的排名的位置，最有可能在任何给定的标本失败。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.app-ph
Thermal percolation and electrical insulation in composite materials with partially metallic coated fillers
本研究提出含部分金属包覆绝缘纳米线填料的聚合物基热界面材料，通过调控填料体积分数与金属包覆比例实现热渗流且维持电绝缘，提出“热渗流-电绝缘”概念指导高效复合热界面材料设计。
2021-09-21 physics.app-ph
Root Cause Analysis and Correction of Single Metal Contact Open-Induced Scan Chain Failure in 90nm node VLSI
本文首次报道了基于电子束吸收电流（EBAC）技术和扫描诊断技术的90nm节点SOC金属接触开路定位。根据从X射线能量色散谱（EDX）获得的检测到的过量碳、硅和氧信号，认为失效是由于在镀铜之前的O2等离子体干法清洁期间形成的硅酸盐光致抗蚀剂聚合物的不完全去除引起的。基于此，我们提出在镀铜之前用稀释的HF清洗代替干法清洗，这可以显著地去除硅酸盐聚合物并提高产率。
2018-01-31 physics.app-ph
A Study of the Effect of Volume Fraction on Stress Transfer within a Unidirectional Fiber Reinforced Composite Having a Broken Fiber
任何材料中由于缺陷引起的应力集中都是非常危险的。因此，在材料的实际应用之前，对其的理解非常重要。随着纤维增强复合材料（FRC）的广泛应用，有必要对其进行应力集中分析。研究表明，纤维混凝土的破坏是一个累积过程。如果一根纤维断裂，则在断裂附近产生应力集中，从而导致其附近的其他纤维断裂。这个过程一直持续到整个FRC失败。这种现象通过称为应力传递系数（STC）的参数来量化。为了分析FRC，通常实践中分析代表体积元素（RVE），其是完整FRC的表示。在分析FRC时考虑的另一个重要方面是纤维的分布。理想情况下，纤维的分布应该是均匀的，但没有工艺过程保证均匀分布。因此，在分析FRC时，用随机分布的纤维生成RVE是一个很好的做法。本文试图得到体积分数与STC之间的关系。考虑了单向纤维取向的FRC。分析了不同体积分数的RVE。实现了一种新的方法来产生随机分布的纤维RVE。RVE是这样产生的，它包含一个在其几何中心的断裂纤维和其他纤维围绕它。
2022-09-18 physics.app-ph
Micro-Computed Tomography Analysis of Damage in Notched Composite Laminates Under Multi-Axial Fatigue
聚合物复合材料在工程中的广泛应用要求深入了解实际载荷条件下的主要损伤机制，并开发适当的基于物理的模型。为了实现这一目标，本研究提出了一个全面的表征的主要损伤机制在选择的缺口复合材料结构下的多轴疲劳载荷。由于X射线微计算机断层成像（$μ$ -CT）和数字图像相关（DIC）的协同组合，识别出主要的失效模式，同时表征与每个机制相关的裂纹体积。这项研究提供了前所未有的定量数据的计算模型的开发和验证，以捕捉聚合物复合材料结构的疲劳行为。
2019-10-03 physics.app-ph
Unveiling a new shear stress transfer mechanism in composites with helically wound hierarchical fibres
增强复合材料的力学性能在不同尺度上受到基体-纤维界面处以及材料不连续处的应力传递的强烈影响。特别地，其中增强物由具有螺旋缠绕纤维的帘线组成的弹性体复合材料的机械响应严重地受到在帘线-橡胶以及帘布层界面处发生的疲劳和分层现象的损害，因为橡胶和聚合物基质主要容易受到由于跨表面传递的剪切应力而引起的偏能的积累的影响。尽管复合材料在广泛的应用领域中得到了广泛的应用，并且对其行为的了解也很成熟，但失效机制的一些关键力学方面仍然部分不清楚。例如，应力放大和应变局部化通常难以通过通常隐藏应力梯度的解析解和平均技术来预测。在这项工作中，我们分析了扭转和拉伸载荷之间的耦合在扭曲的帘线，这是在许多情况下，通过加强复合材料和橡胶在轮胎中的应用。我们提供了一个模型，其特征在于一个丰富的帘线矩阵的机械相互作用，能够从理论上解释和预测实际的应力分布负责的发生分层和疲劳引导的现象，实验观察到在这些复合材料。特别是，我们证明了单斜/三角行为的分层股的机械响应的假设允许估计，通过分析公式和均匀化的方法，迄今为止被忽视的剪切应力在基体增强界面。这些应力转移到邻近区域，导致弹性后行为和失效事件。
2021-09-25 physics.app-ph
