顆粒增強金屬基復(fù)合材料棘輪行為的細(xì)觀循環(huán)本構(gòu)模型研究.pdf

1、顆粒增強金屬基復(fù)合材料(PRMMCs)由于其重量輕，強度高、熱穩(wěn)定性好以及較低的制造成本和宏觀各向同性等優(yōu)良性能，目前已廣泛用于軍工行業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)和體育用品等領(lǐng)域，例如人造衛(wèi)星連接部件、輕質(zhì)裝甲、汽車發(fā)動機活塞和氣缸、高爾夫球桿頭等。在這些領(lǐng)域中，構(gòu)件通常承受復(fù)雜的循環(huán)載荷的作用，有時還處于高溫、高壓等工作環(huán)境。在非對稱的應(yīng)力循環(huán)加載下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件將產(chǎn)生塑性變形的累積現(xiàn)象，即棘輪行為，棘輪行為可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞壽命減少或者使其塑性

2、變形超限而無法正常使用，是工程應(yīng)用中必須考慮的重要問題之一。近二十年來，國內(nèi)外的研究者對金屬材料的棘輪行為進(jìn)行了大量實驗和理論研究，在單一材料的彈塑性和粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型和棘輪行為的描述等方面取得了諸多成果。然而，對復(fù)合材料這一類非均質(zhì)材料，已有研究大多局限于應(yīng)變控制的循環(huán)加載模式，對復(fù)合材料棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)研究和準(zhǔn)確預(yù)測還沒有得到很好的解決。因此，對復(fù)合材料的棘輪行為進(jìn)行深入的實驗研究和細(xì)觀有限元分析，繼而在細(xì)觀層次上發(fā)展能夠合理描

3、述復(fù)合材料棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)模型，將是對循環(huán)本構(gòu)關(guān)系理論研究的一個重要突破。研究成果會促進(jìn)固體力學(xué)在非均勻材料方面的發(fā)展，對復(fù)合材料工程構(gòu)件的壽命預(yù)測和可靠性設(shè)計也具有重要的應(yīng)用價值。
　　 為了對顆粒增強金屬基復(fù)合材料的棘輪行為開展深入系統(tǒng)的研究，本論文主要開展了以下工作:
　　 1.對體積分?jǐn)?shù)為14％和21％的SiCp/6061Al合金復(fù)合材料室溫下的應(yīng)變循環(huán)和棘輪行為進(jìn)行了系統(tǒng)的細(xì)觀有限元模擬，揭示了顆粒體積分?jǐn)?shù)、

4、形狀和分布特性等微結(jié)構(gòu)因素對復(fù)合材料棘輪行為的影響，為細(xì)觀本構(gòu)模型的建立奠定了基礎(chǔ);觀察和分析了復(fù)合材料基體內(nèi)部塑性變形的發(fā)源和分布特性，為研究復(fù)合材料細(xì)觀損傷和失效機制提供了依據(jù)。
　　 2.在Hill增量理論和Eshelby等效夾雜理論的基礎(chǔ)上，對Mori-Tanaka均勻化模型進(jìn)行推廣，結(jié)合已有的實驗和細(xì)觀有限元分析，建立了能夠合理描述顆粒增強金屬基復(fù)合材料時無關(guān)棘輪行為的細(xì)觀彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型，并將模擬結(jié)果與相關(guān)實驗結(jié)果

5、相比較，驗證了模型的合理性和正確性。
　　 3.基于統(tǒng)一粘塑性框架和Eshelby等效夾雜理論，采用廣義增量仿射線性化方法，對Mori-Tanaka均勻化理論進(jìn)行粘塑性推廣，建立了可以合理描述顆粒增強金屬基復(fù)合材料時相關(guān)棘輪行為的細(xì)觀粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型。分別在室溫和高溫下，對復(fù)合材料的時相關(guān)棘輪行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過與實驗結(jié)果比較，驗證了模型的預(yù)測能力。
　　 4.采用新發(fā)展的彈塑性和粘塑性細(xì)觀循環(huán)本構(gòu)模型，模擬了復(fù)合