顆粒增強非晶合金復合材料等效模量及黏彈性能的均勻化方法數(shù)值模擬.pdf

1、塊體非晶合金由于其優(yōu)異的力學和物理性能受到了工程界廣泛關注,是一種極具應用前景的結構或功能材料,但其在室溫單軸拉伸或壓縮情況下沒有顯現(xiàn)塑性變形而突然發(fā)生失效，正因為這種特性大大限制了塊體非晶合金的研制和應用。為了改善其塑性或韌性性能，人們通過在塊體非晶合金中加入增強相來改善塊體非晶合金的塑性或韌性。
　　本研究主要內容包括：⑴假定顆粒增強非晶合金復合材料具有均質的宏觀結構和非均質周期性分布的細觀結構?；陬w粒增強非晶合金復合材料組

2、分材料性能及結構特征，利用雙尺度漸近展開均勻化方法對顆粒增強非晶合金周期性復合材料的有效性能進行了研究。從小參數(shù)ε的位移展開形式出發(fā)，應用了線彈性問題的控制方程，采用漸進展開的形式得到一系列攝動控制方程，引入均勻化系數(shù)和特征函數(shù)得到了漸進均勻化方法的基本理論公式；基于均勻化方程中特征函數(shù)的控制方程，利用最小位能原理推導了求解特征函數(shù)的有限元列式，進而推導出求解特征函數(shù)的邊界力方法；在有限元軟件中，利用其單元節(jié)點信息實現(xiàn)了求解特征函數(shù)邊界

3、力的方法，進而得到顆粒增強非晶合金復合材料有效彈性模量的有限元格式。⑵利用均勻化方法，并結合有限元法，數(shù)值模擬了多種顆粒增強非晶合金復合材料的宏觀等效彈性性能，并得到一些有意義的結果：與分析復合材料彈性模量的Mori-Tanaka方法、Halpin-Tsai公式法及Hashin-Shrikman模型相比，均勻化理論能給出在數(shù)學上更嚴謹?shù)挠嬎惴椒?，而且可以給出一個泊松比的預測值；基于有限元的漸進均勻化方法所預測的顆粒增強非晶合金復合材料有

4、效彈性模量的值介于Voigt等應力上限和Reuss等應變下限之間，不同于纖維增強非晶合金復合材料(纖維增強所預測值接近于于Voigt上限)；在Cu顆粒增強Cu50Zr45Al5非晶合金復合材料中，因增強相與基體存在相同的元素使之在界面處發(fā)生反應，導致實驗值小于均勻化計算值1％-3%，但泊松比的誤差僅僅有1%；(4)對比金剛石顆粒增強Zr65Al10Ni10Cu15非晶合金復合材料模量的實驗和模擬值，發(fā)現(xiàn)均勻化理論這種方法可以很好地預測其

5、復合材料的有效模量；(5)從泊松比和復合材料的塑性應變關系可以發(fā)現(xiàn)，當增強相顆粒體積分數(shù)<10%，泊松比與材料塑性應變呈反比趨勢變化，在增強相體積增大到一定程度時趨勢會發(fā)生轉變，塑性應變會急劇下降。⑶基于均勻化理論建立了計算具有微觀周期性結構的Cu或W顆粒增強鋯基非晶合金復合材料的黏彈性力學模型。結果表明，將均勻化理論與有限元方法相結合能有效地預測具有微觀周期性結構的Cu或W顆粒增強鋯基非晶合金復合材料的黏彈性能，進而有效地優(yōu)化該類復合