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

1、顆粒增強金屬基復(fù)合材料具有高強度、高彈性模量、耐磨損和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、汽車及建筑等行業(yè)。由于顆粒增強金屬基復(fù)合材料最大的缺點是其延伸率和斷裂韌性較低，目前先進復(fù)合材料設(shè)計研究致力于揭示微觀組織對復(fù)合材料變形和破壞機制的影響規(guī)律。但是微觀結(jié)構(gòu)如顆粒形貌、大小、分布、含量及界面性能對復(fù)合材料整體性能影響至今還沒有得到充分的了解。關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)對復(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整體性能的影響。
　　針對上述問題，本文建立了顆粒增強復(fù)合材料3D周期性有限元分析模型，采用擴展應(yīng)變梯度理論研究顆粒大小對基體中應(yīng)變梯度強化影響；采用粘聚力模型模擬界面損傷對復(fù)合材料的弱化作用。首先推導(dǎo)了擴展應(yīng)變梯度理論在有限元中的應(yīng)力、應(yīng)變增量更新公式，而后采用基于節(jié)點

3、平均塑性應(yīng)變計算塑性應(yīng)變梯度的方法，開發(fā)編寫了有限元軟件Abaqus的用戶子程序UMAT和URDFIL，將擴展應(yīng)變梯度理論嵌入有限元中進行計算。通過和實驗結(jié)果的對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、界面強度及分布各不相同的有限元模型，以SiC顆粒增強Al基體復(fù)合材料為例，分析了微觀結(jié)構(gòu)變化對復(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)力對材料在后續(xù)加載過程中的力學(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，復(fù)合材料的流動應(yīng)力、拉伸強度、均勻應(yīng)變越高。在界面強度和顆粒形貌相同的情況下，顆粒越小復(fù)合材料的流動應(yīng)力、拉伸強度和均勻應(yīng)變越高。在界面強度和顆粒大小相同的情況下，顆粒形貌對均勻應(yīng)變影響比較一致，都是球形顆粒材料的均勻應(yīng)變較高。顆粒形貌對流動應(yīng)力的影響受界面強度的影

5、響：在弱界面的條件下，兩類材料的流動應(yīng)力基本一致；但在強界面條件下，立方顆粒材料中的流動應(yīng)力高于球形顆粒材料。綜合來講，強界面條件下立方小顆粒增強材料的流動應(yīng)力最高，強度最好；而強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3D單個顆粒和多個顆粒隨機分布的模型對比分析表明：對于球形顆粒增強材料，單個顆粒模型和多個顆粒模型計算得到的流動應(yīng)力曲線和均勻應(yīng)變的差異幾乎可以忽略，因此可以用單個顆粒模型分析復(fù)合材料的性能以

6、節(jié)省計算資源。對于立方顆粒增強材料，單個顆粒模型計算得到的流動應(yīng)力低于多個顆粒模型的流動應(yīng)力，主要由于單個顆粒模型假設(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)采用多顆粒模型對立方顆粒增強復(fù)合材料性能進行評估。
　　(3)其它情況相同時，顆粒團聚分布、層狀分布和隨機分布下的流動應(yīng)力基本一致。但是顆粒分布狀態(tài)對均勻應(yīng)變的影響較大。當(dāng)顆粒層狀分布時，

7、材料的均勻應(yīng)變在所有分布中最小，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。與一般的實驗結(jié)果不同，顆粒的團聚分布并沒有對材料性能造成損傷，材料的均勻應(yīng)變反而高于顆粒均勻分布時候的值。這主要是由于本文的模型沒有考慮顆粒團聚分布可能帶來的缺陷，如團簇內(nèi)部的空隙的影響。本章的計算結(jié)果表明，相對于其他顆粒分布狀態(tài)，顆粒團聚現(xiàn)象本身不會對復(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，平均熱殘余應(yīng)力(絕對值)的大小隨