基于微觀結構的顆粒增強復合材料力學性能數(shù)值分析.pdf

1、顆粒增強金屬基復合材料具有高強度、高彈性模量、耐磨損和導電導熱性能好等特點，廣泛應用于航空航天、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，目前先進復合材料設計研究致力于揭示微觀組織對復合材料變形和破壞機制的影響規(guī)律。但是微觀結構如顆粒形貌、大小、分布、含量及界面性能對復合材料整體性能影響至今還沒有得到充分的了解。關于微觀結構對復合材料力學性能的影響數(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變梯度的作用，不能考察微米尺度下復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合材料3D周期性有限元分析模型，采用擴展應變梯度理論研究顆粒大小對基體中應變梯度強化影響；采用粘聚力模型模擬界面損傷對復合材料的弱化作用。首先推導了擴展應變梯度理論在有限元中的應力、應變增量更新公式，而后采用基于節(jié)點

3、平均塑性應變計算塑性應變梯度的方法，開發(fā)編寫了有限元軟件Abaqus的用戶子程序UMAT和URDFIL，將擴展應變梯度理論嵌入有限元中進行計算。通過和實驗結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基體復合材料為例，分析了微觀結構變化對復合材料單軸拉伸彈塑性力學行為、顆粒/基體載荷分配、局部應力應變場分布、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、形貌對復合材料中熱殘余應力大小及分布以及熱殘余應力對材料在后續(xù)加載過程中的力學性能的影響。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，復合材料的流動應力、拉伸強度、均勻應變越高。在界面強度和顆粒形貌相同的情況下，顆粒越小復合材料的流動應力、拉伸強度和均勻應變越高。在界面強度和顆粒大小相同的情況下，顆粒形貌對均勻應變影響比較一致，都是球形顆粒材料的均勻應變較高。顆粒形貌對流動應力的影響受界面強度的影

5、響：在弱界面的條件下，兩類材料的流動應力基本一致；但在強界面條件下，立方顆粒材料中的流動應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力最高，強度最好；而強界面條件下球形小顆粒材料均勻應變最大，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力曲線和均勻應變的差異幾乎可以忽略，因此可以用單個顆粒模型分析復合材料的性能以

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力低于多個顆粒模型的流動應力，主要由于單個顆粒模型假設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，導致顆粒中的平均應力水平從加載早期就明顯低于多顆粒模型中的值。因此應采用多顆粒模型對立方顆粒增強復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力基本一致。但是顆粒分布狀態(tài)對均勻應變的影響較大。當顆粒層狀分布時，

7、材料的均勻應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，如團簇內部的空隙的影響。本章的計算結果表明，相對于其他顆粒分布狀態(tài)，顆粒團聚現(xiàn)象本身不會對復合材料性能造成損傷。
　　(4)當復合材料從高溫冷卻到室溫時，平均熱殘余應力(絕對值)的大小隨