基于微觀結(jié)構(gòu)的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能數(shù)值分析.pdf

1、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高彈性模量、耐磨損和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、汽車(chē)及建筑等行業(yè)。由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最大的缺點(diǎn)是其延伸率和斷裂韌性較低，目前先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)研究致力于揭示微觀組織對(duì)復(fù)合材料變形和破壞機(jī)制的影響規(guī)律。但是微觀結(jié)構(gòu)如顆粒形貌、大小、分布、含量及界面性能對(duì)復(fù)合材料整體性能影響至今還沒(méi)有得到充分的了解。關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響數(shù)值研究，以前三維(Three-dimensi

2、onal,3D)多顆粒有限元模型分別分析了顆粒形貌、分布及界面損傷的單一或共同作用，但是都沒(méi)有考慮基體中應(yīng)變梯度的作用，不能考察微米尺度下復(fù)合材料中顆粒大小變化對(duì)整體性能的影響。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文建立了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料3D周期性有限元分析模型，采用擴(kuò)展應(yīng)變梯度理論研究顆粒大小對(duì)基體中應(yīng)變梯度強(qiáng)化影響；采用粘聚力模型模擬界面損傷對(duì)復(fù)合材料的弱化作用。首先推導(dǎo)了擴(kuò)展應(yīng)變梯度理論在有限元中的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽扛鹿?，而后采用基于?jié)點(diǎn)

3、平均塑性應(yīng)變計(jì)算塑性應(yīng)變梯度的方法，開(kāi)發(fā)編寫(xiě)了有限元軟件Abaqus的用戶(hù)子程序UMAT和URDFIL，將擴(kuò)展應(yīng)變梯度理論嵌入有限元中進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明了本文模型的正確性。
　　然后本文建立了顆粒大小、形貌、界面強(qiáng)度及分布各不相同的有限元模型，以SiC顆粒增強(qiáng)Al基體復(fù)合材料為例，分析了微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)復(fù)合材料單軸拉伸彈塑性力學(xué)行為、顆粒/基體載荷分配、局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布、界面損傷起始和發(fā)展的影響規(guī)律。并且分析了顆粒

4、大小、形貌對(duì)復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力大小及分布以及熱殘余應(yīng)力對(duì)材料在后續(xù)加載過(guò)程中的力學(xué)性能的影響。本文的數(shù)值分析表明：
　　(1)在顆粒形貌和大小相同的情況下，界面越強(qiáng)，復(fù)合材料的流動(dòng)應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、均勻應(yīng)變?cè)礁?。在界面?qiáng)度和顆粒形貌相同的情況下，顆粒越小復(fù)合材料的流動(dòng)應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和均勻應(yīng)變?cè)礁?。在界面?qiáng)度和顆粒大小相同的情況下，顆粒形貌對(duì)均勻應(yīng)變影響比較一致，都是球形顆粒材料的均勻應(yīng)變較高。顆粒形貌對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響受界面強(qiáng)度的影

5、響：在弱界面的條件下，兩類(lèi)材料的流動(dòng)應(yīng)力基本一致；但在強(qiáng)界面條件下，立方顆粒材料中的流動(dòng)應(yīng)力高于球形顆粒材料。綜合來(lái)講，強(qiáng)界面條件下立方小顆粒增強(qiáng)材料的流動(dòng)應(yīng)力最高，強(qiáng)度最好；而強(qiáng)界面條件下球形小顆粒材料均勻應(yīng)變最大，韌性最好。
　　(2)對(duì)3D單個(gè)顆粒和多個(gè)顆粒隨機(jī)分布的模型對(duì)比分析表明：對(duì)于球形顆粒增強(qiáng)材料，單個(gè)顆粒模型和多個(gè)顆粒模型計(jì)算得到的流動(dòng)應(yīng)力曲線和均勻應(yīng)變的差異幾乎可以忽略，因此可以用單個(gè)顆粒模型分析復(fù)合材料的性能以

6、節(jié)省計(jì)算資源。對(duì)于立方顆粒增強(qiáng)材料，單個(gè)顆粒模型計(jì)算得到的流動(dòng)應(yīng)力低于多個(gè)顆粒模型的流動(dòng)應(yīng)力，主要由于單個(gè)顆粒模型假設(shè)所有顆粒界面損傷同步發(fā)生，在加載早期會(huì)高估界面中的平均損傷，導(dǎo)致顆粒中的平均應(yīng)力水平從加載早期就明顯低于多顆粒模型中的值。因此應(yīng)采用多顆粒模型對(duì)立方顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料性能進(jìn)行評(píng)估。
　　(3)其它情況相同時(shí)，顆粒團(tuán)聚分布、層狀分布和隨機(jī)分布下的流動(dòng)應(yīng)力基本一致。但是顆粒分布狀態(tài)對(duì)均勻應(yīng)變的影響較大。當(dāng)顆粒層狀分布時(shí)，

7、材料的均勻應(yīng)變?cè)谒蟹植贾凶钚?，主要是由于拉伸方向垂直于層面，界面損傷容易快速發(fā)展。與一般的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，顆粒的團(tuán)聚分布并沒(méi)有對(duì)材料性能造成損傷，材料的均勻應(yīng)變反而高于顆粒均勻分布時(shí)候的值。這主要是由于本文的模型沒(méi)有考慮顆粒團(tuán)聚分布可能帶來(lái)的缺陷，如團(tuán)簇內(nèi)部的空隙的影響。本章的計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)于其他顆粒分布狀態(tài)，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象本身不會(huì)對(duì)復(fù)合材料性能造成損傷。
　　(4)當(dāng)復(fù)合材料從高溫冷卻到室溫時(shí)，平均熱殘余應(yīng)力(絕對(duì)值)的大小隨