復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，工程應(yīng)用中對(duì)材料性能的要求愈來(lái)愈來(lái)高，對(duì)材料服役條件愈來(lái)愈苛刻，對(duì)工程構(gòu)件服役壽命的估算也日益嚴(yán)格。一些傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不能滿足各種極端條件下的需求，這就要求我們拓展思路、改進(jìn)方法設(shè)計(jì)適用于各種工程環(huán)境下作業(yè)的先進(jìn)材料，并對(duì)設(shè)計(jì)出的新型先進(jìn)材料的材料性能、失效行為進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)與評(píng)估。
　　 近年來(lái)，伴隨計(jì)算科學(xué)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在各學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者以計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值計(jì)算為

2、手段將計(jì)算機(jī)技術(shù)成功運(yùn)用于材料科學(xué)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)與制備的不足。通過(guò)各種算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)的數(shù)字化仿真與數(shù)值化模擬已經(jīng)成為利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究材料科學(xué)的主要研究趨勢(shì)，并逐步演化為一門嶄新的學(xué)科——材料微結(jié)構(gòu)計(jì)算學(xué)?！皵?shù)字材料”技術(shù)是材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)與評(píng)估材料服役行為計(jì)算機(jī)化的關(guān)鍵手段，它被用來(lái)支撐跨尺度/跨時(shí)度的材料的微結(jié)構(gòu)及其演化過(guò)程的可視化表達(dá)、表征、模擬與虛擬推演，從而實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的可設(shè)計(jì)、可推演、可預(yù)測(cè)

3、。同時(shí)，伴隨著材料微觀組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)字化過(guò)程，材料微結(jié)構(gòu)的數(shù)值化處理技術(shù)的應(yīng)用亦顯得十分重要。數(shù)字化過(guò)程是對(duì)一種狀態(tài)的翻譯過(guò)程，而數(shù)值化過(guò)程就是對(duì)一種狀態(tài)的處理過(guò)程?！皵?shù)值材料”技術(shù)是“數(shù)字材料”技術(shù)成功走進(jìn)材料科學(xué)領(lǐng)域最基本的前提，亦是“材料微結(jié)構(gòu)計(jì)算學(xué)”的基礎(chǔ)，其作用是依據(jù)材料微觀組織結(jié)構(gòu)之幾何結(jié)構(gòu)、組成物結(jié)構(gòu)、或相結(jié)構(gòu)做出有效地?cái)?shù)值計(jì)算，“數(shù)值材料”技術(shù)為定量分析材料微結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，還可

4、以實(shí)現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)的虛擬失效分析，從而系統(tǒng)地建立一套推演多元多相異質(zhì)體材料微結(jié)構(gòu)虛擬失效過(guò)程、評(píng)估微結(jié)構(gòu)虛擬失效狀態(tài)的科學(xué)方法，開(kāi)發(fā)一套較為實(shí)用的計(jì)算機(jī)軟件，最終創(chuàng)建一整套“微結(jié)構(gòu)組成物幾何結(jié)構(gòu)-微結(jié)構(gòu)組成物材料性能-材料結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)特性-微裂紋擴(kuò)展行為-材料損傷后性能-微結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)”數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。
　　 圍繞上述問(wèn)題，本文分別結(jié)合金屬基復(fù)合材料、樹(shù)脂基復(fù)合材料以及碳-碳編織復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，以“數(shù)字材料”技術(shù)為先導(dǎo)

5、，用于表征具有各種復(fù)雜幾何形貌的復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)，以“數(shù)值材料”技術(shù)為核心，用于實(shí)現(xiàn)材料微結(jié)構(gòu)在各種工況條件下的數(shù)值模擬與虛擬失效分析，從而實(shí)現(xiàn)不同復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算的研究工作。
　　 鈦基復(fù)合材料(TMCs)以其高的比強(qiáng)度、比剛度和抗高溫特性而成為超高音速宇航飛行器和下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，常規(guī)的鈦及鈦合金己不能滿足要求，需要開(kāi)發(fā)新的高性能鈦合金以滿足更高的要求，因此研究問(wèn)題

6、的焦點(diǎn)由常規(guī)鈦合金轉(zhuǎn)向金屬間化合物、由固溶強(qiáng)化鈦合金轉(zhuǎn)向鈦基復(fù)合材料，鈦基復(fù)合材料主要分為顆粒增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)2大類，當(dāng)?shù)兔芏?、高模量、高?qiáng)度的增強(qiáng)相加入到鈦基體合金中，復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量和蠕變強(qiáng)度等材料性能都有較大的提高，可以滿足航空工業(yè)的需要。本文以開(kāi)發(fā)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)仿真軟件ProDesign為基礎(chǔ)，構(gòu)造出鈦基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的“代表性體積單元塊”，并結(jié)合C++程序設(shè)計(jì)、Python腳本語(yǔ)言，對(duì)商業(yè)有限元軟件ABAQUS的前后

7、處理進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)鈦基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分與細(xì)觀力學(xué)計(jì)算，并根據(jù)材料微結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的數(shù)值解，預(yù)測(cè)鈦基復(fù)合微結(jié)構(gòu)材料材料性能，識(shí)別“材料結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)”，評(píng)估微裂紋(群)的啟裂、擴(kuò)展，推演“微結(jié)構(gòu)虛擬失效”行為。
　　 先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料由于其比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料基體的主要成分是聚合物

8、，可分為熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂兩大類，環(huán)氧樹(shù)脂是一種最常見(jiàn)的熱固性樹(shù)脂，具有形式多樣、固化方便、黏附力強(qiáng)、收縮性低、良好的力學(xué)與電學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異的性能，環(huán)氧樹(shù)脂最大的弱點(diǎn)就是韌性較差，固化后的樹(shù)脂耐沖擊性能差，容易裂開(kāi)，因此作為航空高性能復(fù)合材料應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行增韌改性。對(duì)于按照不同TP/TS(Thermoplastic/Thermoset)配比制備的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)具有不同相結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合北京航空材料研究

9、院提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以原位共混工藝制備的增韌環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，表征實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的原位共混增韌體系相結(jié)構(gòu)，研究其組分配比與粒徑分布、粒間距之間的關(guān)系，并通過(guò)有限元法的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)所制備的樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能。
　　 三維碳-碳編織復(fù)合材料以整體編織預(yù)成型件作為增強(qiáng)材料，不需縫合和機(jī)械加工，具有明顯的性能可設(shè)計(jì)性與良好的綜合性能指標(biāo)，如較高的強(qiáng)度、剛度和較好的抗沖擊性、耐燒蝕性等，所以受到工程界的普遍