金屬基復合材料畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1研究的目的及意義</p><p>　　金屬基復合材料是在樹脂基復合材料的基礎上發(fā)展起來的。最初在60年代初期開始有所發(fā)展，但由于當時制備技術等各種因素的制約，并沒有引起廣泛的注意。進入到70年代后期，由于高新技術對材料的各種性能要求日益提高，金屬基復合材料以其優(yōu)良的性能引起各國政府、工業(yè)界的重視

2、，被譽為先進復合材料，與傳統(tǒng)材料相比較，它具有重量輕、高比彈性模量、高比強度、耐疲勞、耐磨損、低能耗、低膨脹系數(shù)等特點，具有在軍事、航天航空、汽車、機械、電子等各種領域應用的可能性[1]。在高溫下制備復合材料時，基體與增強體之間極易發(fā)生有害的界面反應，而合適的界面涂層不但能有效阻擋這類反應，而且還可以對復合材料界面殘余應力的分布起到一定的調節(jié)作用[2]。在復合材料使用過程中，由于基體和纖維性能的差異，熱殘余應力的存在不可避免，它對復合材

3、料的力學性能有著重要影響，有時甚至會導致基體開裂，因此受到人們的高度重視[3]。由于材料不同且具有不同力學性能的界面層，其厚度和性能會對復合材料的有效性能產(chǎn)生劇烈的影響[4]，所以合適的界面厚度使得基體與基體的界面結合適中，有利于材料性能的提高[5]。</p><p>　　研究表明，金屬基復合材料的內部殘余應力對復合材料的力學性能具有重大影響, 為了預測金屬基復合材料內部殘余應力的大小及影響，許多學者都致力于研究

4、金屬基復合材料內部殘余應力的理論計算模型[6]。廣義地說，殘余應力是一種普遍存在的現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余應力的原因也是多種多樣的。金屬基復合材料熱殘余應力產(chǎn)生必須具備的條件有：(1)基體與增強體之間界面結合良好；(2)溫度變化；(3)增強體與基體之間的熱膨脹系數(shù)差異[7]。而這些簡化模型的界面層具有一定的厚度，界面結合的好壞由界面層材料力學性能來表征[8]。并且建立一些模型對于分析和理解熱殘余應力的分布特征和變化趨勢是非常用的[9]。</

5、p><p>　　幾年來，隨著計算機技術和有限元方法的快速發(fā)展，引發(fā)了數(shù)值模擬技術的熱潮，數(shù)值模擬技術的應用，不僅可以節(jié)省實驗時問、節(jié)約研究經(jīng)費，而且對研究殘余應力對復合材料性能的作用規(guī)律、促進金屬基復合材料的應用與發(fā)展都具有重大意義[6]。因此全面了解復合材料殘余應力的各種影響因素、殘余應力狀態(tài)及分布規(guī)律，對復合材料的強度估算和壽命預測等具有重要的指導意義[2]。</p><p><b&

6、gt;　　1.2研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　盡管金屬基復合材料目前尚未獲得大規(guī)模應用，但這些性能均可在一定范圍內加以設計，必定存在著能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢的應用領域，會有更加廣闊的前景[9]。隨著力學理論和計算機技術的飛速發(fā)展，金屬基復合材料的力學分析得到了很大進步。在其力學模型方面，用有限元計算技術與力學和材料科學相結來進行研究[10]。又鑒于復合材料的成型工藝占其成本的60%~70%，所以

7、研究發(fā)展高效、省時、低能耗、設備簡單、能實現(xiàn)近似無余量成型的工藝方法是當務之急[11]。</p><p>　　殘余應力決定了復合材料變形的特殊性，大量研究人員對此進行了深入的研究，并取得了重大進展[12]。</p><p>　　從有關文獻與資料可以得知，數(shù)十年來，美、法、俄、德、日等國家對金屬基復合材料殘余應力的抑制與消除技術上的理論研究一直非常重視，在實際生產(chǎn)工藝中也達到了相當高的工藝水

8、平[13]。對熱殘余應力分布的影響分析中，我國權高峰等人進行了彈塑性分析計算，結果表明單程變溫造成的微觀熱應力和殘余應力其絕對值均沿徑向按指數(shù)或對數(shù)規(guī)律減小，而且受熱或冷卻時基體中的屈服首先發(fā)生在界面處，并逐漸向基體中擴展[14]。王玉慶等[15]對涂層在復合材料中的力學行為進行了理論分析,指出界面殘余應力是熱膨脹系數(shù)與彈性模量綜合作用的結果,高模量涂層在熱膨脹系數(shù)低時才能減小界面殘余應力,而低模量涂層不論熱膨脹系數(shù)大小均能減小界面殘余

9、應力。丁向東等[16]運用軸對稱有限元法得出殘余應力會降低拉伸過程中的應力傳遞，加強壓縮過程中應力傳遞，使復合材料室溫抗壓強度高于抗拉強度。馬志軍等[17]以SiC/Ti-24Al-11V為研究對象，分析了纖維體積分數(shù)與殘余應力的關系，得出纖維體積分數(shù)也會對殘余應力產(chǎn)生影響。</p><p>　　國外對材料中熱殘余應力的分析也有一些成果。諸如Harris等[18]提出垂直于纖維方向的熱殘余應力模型，并假設纖維被埋

10、在具有復合材料宏觀屬性的等效基體中，利用等效彈性模量得出接觸壓力與纖維組分之間的關系。Nairn等[19]首先針對含有均勻界面相的復合材料熱殘余應力進行研究。Jayaraman等[15]給出三種含有性能梯度界面的復合材料熱殘余應力分布。Mitaka等[20]給出四相模型（纖維、界面相、樹脂、等效基體）。Kim和Mai等[21]通過單絲三相模型建立界面相參數(shù)與纖維樹脂接觸壓力之間的關聯(lián)關系。</p><p>　　當

11、下運用計算機及有限元技術進行計算仿真成為熱門，國內外也將其運用于航空、電子和汽車等行業(yè)。先以CAD/CAM技術為例，德國COP—RA系統(tǒng)能完成設計、成型工藝過程模擬、生產(chǎn)圖紙、成本計算、毛坯管理、計算機數(shù)控制造、質量控制的整個過程的全面的、集成化的軟件解決方案，具有獨特的成型過程模擬與優(yōu)化技術和高效率的成本計算功能。而國內工作人員吸收了國外的技術和經(jīng)驗，也取得了一些成績[22]。再以CAE技術為例，美國DEFORM仿真模擬的應用將大大減

12、少生產(chǎn)過程中不必要的流程．不但保證產(chǎn)品質量．而且提高工作效益。國內在塑性成形模擬軟件方面跟國際上相比還存在很大的差距，但也相繼開發(fā)一些軟件[23]。例如我國三一重工泵送機械公司就利用有限元分析的方法指導開展工藝方法的研究，公司主要仿真焊接變形情況[24]。</p><p>　　1.3鈦基復合材料的熱殘余應力</p><p>　　1.3.1熱殘余應力產(chǎn)生的原因</p><

13、p>　　在金屬基復合材料的制備和使用過程中，熱殘余應力的產(chǎn)生和存在是不可避免的，并且成為金屬基復合材料的一大本質特征[26]。究其熱殘余應力產(chǎn)生的原因，一般不外乎以下幾個：（1）由于溫度梯度引起的應力，即溫度梯度誘導熱殘余應力；（2）在均勻溫度下由于基體金屬和纖維熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應力，這是由于復合材料組分的本質屬性所決定的；（3）由于界面反應或是基體相變引起復合材料局部體積發(fā)生變化，從而導致殘余應力的產(chǎn)生。由于（1）和

14、（3）所產(chǎn)生的熱殘余應力對復合材料的影響較小，并且通過適當?shù)拇胧┛梢詼p小甚至避免，所以，在目前的大部分研究當中，熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應力是人們關注的重點。</p><p>　　有限元分析表明，一般在界面附近，基體處于較大的環(huán)向拉應力和徑向的壓應力狀態(tài)（沿纖維方向為軸向），所以，熱殘余應力對界面的影響最大，進而通過界面影響復合材料的性能。在復合材料的界面處，常會發(fā)現(xiàn)一些垂直于界面的裂紋，特別是纖維距離較近時

15、，顯然，界面處的環(huán)向殘余拉應力是其產(chǎn)生的直接原因之一。另外，界面附近的環(huán)向應力有突變，應力梯度非常大，Warrier等人[27]研究表明，在橫向載荷作用下，應力突變點將會導致裂紋萌生和界面脫粘。A. Hutson[28]等人指出，徑向熱殘余應力的大小直接影響復合材料中纖維和基體間界面剪切強度的大小，由于熱殘余應力的大小隨溫度變化明顯，所以界面剪切強度也會受溫度變化的影響，進而影響復合材料的高溫力學性能。熱殘余應力對復合材料力學性能的影響

16、非常復雜，并且一般不會直接作用，而是通過其它條件影響復合材料。另外，熱殘余應力對復合材料的屈服強度、壓縮強度以及橫向拉伸性能也有不同程度的影響。由于考慮了熱殘余應力的影響，使人們對復合材料的力學性能有了更清楚的了解。</p><p>　　1.3.2熱殘余應力對復合材料性能的影響</p><p>　　復合材料界面殘余應力大于基體材料屈服強度時，殘余應力部分松弛，基體合金中產(chǎn)生高密度位錯，從而

17、使復合材料屈服強度提高。研究表明，SiC／AI復合材料殘余應力使界面附近基體位錯密度提高1～2個數(shù)量級[29]。這種情況下，有限元模擬得出的殘余應力值高于實際值，為殘余應力上限。張國定等[30]測定了SiC／Al中單根纖維周圍的硬度分布，界面附近基體硬度最大(是無應力狀態(tài)下的4倍左右)，遠離界面硬度下降直到基體合金原始硬度。這種小范圍內力學性能的巨大變化，證實了界面附近區(qū)域高密度位錯的存在。</p><p>　　

18、復合材料界面殘余應力對橫向力學性能有重要作用。M．M．Aghdam等[31]模擬了具有C／TiB2涂層的SiC／Ti基復合材料在橫向拉伸與壓縮時的力學行為，其纖維排布幾何模型為四方排布模型。他認為復合材料橫向壓縮強度是拉伸強度的2倍左右，這是因為基體楊氏模量低于纖維楊氏模量，橫向拉伸載荷作用下基體沿軸向的收縮大于纖維沿軸向的收縮，導致界面受剪，且受剪方向與熱膨脹系數(shù)差異引起的界面殘余剪切應力方向一致，從而引起界面剪切強度降低、纖維脫粘，

19、復合材料提前失效；材料受壓時。情況正好相反。所以，界面殘余剪切應力對弱結合界面的橫向拉伸強度不利。另外，由于C的強度低于TiB2，因此在拉伸載荷達到250MPa失效首先發(fā)生在f／c界面，當載荷增加到440MPa后，c／m界面正方形對角線方向開始脫粘。原因在于TiB2的楊氏模量與熱膨脹系數(shù)都較高，從而在c／m界面產(chǎn)生了很高的周向拉伸應力和徑向壓縮應力，但周向與徑向殘余應力在垂直于纖維方向的平面內具有明顯的各向異性，界面正方形對角線方向周向

20、拉伸應力最大，徑向壓縮應力最小，且當纖維體積分數(shù)大于某一臨界值后，此處徑向應力甚至變?yōu)槔鞝顟B(tài)[32]。隨著復合材料界面</p><p>　　1.3.3復合材料中熱殘余應力的分析方法</p><p>　　對于金屬基復合材料熱殘余應力的分析主要通過實驗研究和模擬分析的方法。而在實驗研究中，以前的有損分析，包括鉆孔法、環(huán)芯法等，由于對材料的破壞性，幾乎已經(jīng)不用，取而代之的是無損分析，例如X射線

21、衍射和中子衍射等。</p><p>　　（1）X射線衍射和中子衍射</p><p>　　利用X射線和中子衍射對材料熱殘余應力進行測量受到廣泛關注，特別是X射線衍射測量熱殘余應力。X射線應力測定在理論、實驗技術及方法上已取得了很大的進展，如sin2ψ法的提出、ψ測角儀的發(fā)明和計算機技術在儀器控制與數(shù)據(jù)處理方面的普遍應用等等，使其成為材料科學和工程技術上令人感興趣、重要的研究手段[33]。中子

22、衍射由于受中子源的限制，遠沒有X射線衍射應力測量普及。但是由于中子具有大的穿透深度，中子衍射可以測量材料內部一定深度的熱殘余應力。Rangaswamy等對X 射線衍射和中子衍射法測量復合材料殘余應變進行了比較。表1-1 是他們對SiCf/Ti-6Al-4V 復合材料的基體分別采用X 射線衍射和中子衍射方法進行的熱殘余應力分析結果。</p><p>　　表1-1 X射線衍射和中子衍射法測量的復合材料基體中的殘余應變

23、（/με）</p><p>　　從表中可以看出，在平面應變測量過程中X射線衍射和中子衍射在很大程度上保持了一致性。另外他們還利用中子衍射對所用金屬基復合材料中纖維的應變進行了測量，結果如表1-2所示。</p><p>　　表1-2 中子衍射法測量的復合材料纖維的殘余應變（/με）</p><p>　　為了研究復合材料某一微小區(qū)域內的殘余應力分布狀況,可以采用微小X

24、射線束進行測量。Adachi 等[34]用微小X射線束測量了多層復合材料層間應力分布，測量結果與有限元模擬結果基本相符。 </p><p><b>　?。?）基片彎曲法</b></p><p>　　其原理示意圖如圖1 所示。為了避免一般機械加工手段介入其它應力影響, 利用電拋光或者化學腐蝕的方法剝掉試樣表面層, 在熱殘余應力的作用下, 試樣發(fā)生彎曲, 測量曲率半徑,

25、計算殘余應力的大小, 逐層剝離便可計算熱殘余應力在z 軸方向上的分布[35]。圖1-1( a) 是剝掉試樣表面一層的方法, 其前提是假設熱殘余應力是單向應力(Y方向) 而忽略了橫向應力的影響, 這并不符合實際情況, 如果剝層的長徑比過大, 則可忽略橫向應力的影響, 如圖1-1( b) 所示, 并且可以增大試樣彎曲的曲率半徑，減小系統(tǒng)誤差。一般情況下, 基片彎曲法需要高的加工精度, 而且受纖維均勻排布程度的影響很大。</p>

26、<p>　　圖1-1基片彎曲法測量熱殘余應力原理示意圖</p><p>　?。?）激光拉曼光譜法</p><p>　　激光拉曼光譜法[36]可以用來測量纖維增強金屬基復合材料熱殘余應力, 復合材料受力后, 隨著拉應力的增加, 原子間距增加, 原子振動頻率下降; 反之在壓縮應力下, 原子間距減小, 原子振動頻率增加。這種振動頻率的變化可以用激光拉曼光譜測定出來。War d 等[3

27、7]用拉曼光譜法測量了兩種不同SiC 纖維金屬基復合材料的殘余應力, 結果表明, 在兩種不同SiC 纖維上的軸向殘余應力分別為- 850MPa和- 590MPa, 這與用連續(xù)同軸圓柱模型計算出的應力值相似。</p><p>　　（4）選擇基體腐蝕法</p><p>　　這種方法首先選擇要腐蝕的基體范圍,進行基體腐蝕, 然后測量由于應力釋放而松弛的纖維相對于仍包含在基體內的纖維的長度, 計算

28、纖維的軸向應變, 進而推出纖維和基體的平均熱殘余應力[38]。這種方法雖然簡單易行, 但對纖維長度測量精度要求較高, 而且測量結果也受纖維排布情況的影響。</p><p>　?。?）電子莫爾波紋和頂出實驗相結合的方法</p><p>　　電子莫爾波紋方法是一種具有高靈敏度測量形變的方法, 如圖1-2( a) 所示。利用這種測量形變的方法再結合頂出實驗[39]（圖1-2( b)），可以測量纖

29、維增強金屬基復合材料纖維-基體界面熱殘余應力。在纖維被頂出的過程中, 界面上的殘余應力徹底釋放, 同時, 所釋放的殘余應力對應的殘余應變可以通過電子莫爾波紋的方法測量, 最后由應力應變關系計算出界面處的熱殘余應力, 當熱殘余應力不超過材料的屈服應力時, 可以直接利用虎克定律來計算。Xing等[40] 利用這種方法成功測量了SiC/Ti復合材料界面熱殘余應力。但是利用這種方法測量出的界面上的熱殘余應力只考慮了被頂出纖維對應力的影響, 而忽

30、略了周圍纖維對界面上熱殘余應力的貢獻。</p><p>　　圖1-2 頂出實驗示意圖和電子莫爾波紋</p><p>　?。?）理論分析的方法</p><p>　　理論分析復合材料中熱殘余應力的分布, 目前大概有兩種,一種是利用簡化同軸圓柱模型, 采用力學基本公式, 再加上邊界條件和變形協(xié)調方程進行近似的理論推導。另一種是計算機有限元模擬復合材料中熱殘余應力的分布狀況

31、。理論分析的方法能借助現(xiàn)代計算機快速運算能力方便、快捷地模擬出復合材料的熱殘余應力, 特別是對于實驗測定難以實現(xiàn)的熱殘余應力分析, 例如復合材料界面處的應力分布。</p><p>　　由于實際問題的復雜性，要從理論上求解熱殘余應力的方程式往往是不可能</p><p>　　的。近年來在計算機技術和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析方法則為解決復雜的熱分析計算問題提供了有效途徑。有限元法是

32、一種經(jīng)典的工程數(shù)學方法，它源于彈性力學的計算，有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)接在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)接方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解區(qū)域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個重要特點是利用在每一個單元內假設的近似函數(shù)來分片的表示全求解區(qū)域上待求的未知場函數(shù)，單元內的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或其導數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來

33、表達。這樣一來，一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或其導數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量（即自由度），從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。它具有方便性、實用性、有效性、靈活性、適應性、幾何模型離散程度高，計算精度高的特點，因而成為行之有效的工程分析手段，備受人們關注[41]。因此本課題應用有限元分析方法。<

34、/p><p>　　1.3.4降低熱殘余應力的方法</p><p>　　如何降低熱殘余應力對復合材料性能的提高有很大的實際意義，從熱殘余應力的影響因素出發(fā)，改善其分布狀況的方法主要有以下幾種：</p><p>　?。?）纖維和基體熱膨脹系數(shù)的不匹配性是造成熱殘余應力的主要原因，所以，要降低熱殘余應力的大小，首先要降低纖維和基體熱膨脹系數(shù)的不匹配性[42]。</p&g

35、t;<p>　　（2）選擇基體材料的力學性能[43]。</p><p><b>　　（3）界面設計。</b></p><p>　　（4）合理的纖維排布方式和纖維含量[44]。</p><p>　　（5）合理的熱加工工藝參數(shù)[45]。</p><p>　　1.4鈦基復合材料界面反應</p>&l

36、t;p>　　1.4.1復合材料界面</p><p>　　在金屬基復合材料中存在著大量的增強材料和基體之間的界面，增強材料的比例越高，增強材料的尺寸越小，則這種界面就越多。界面區(qū)包含了基體與增強體的接觸連接面，基體與增強體相互作用生成的反應產(chǎn)物和析出相，增強體的表面涂層作用區(qū)，元素的擴散和偏聚層，近界面的高密度位錯區(qū)等。界面結合的狀態(tài)對復合材料的宏觀性能起著重要的作用。金屬基復合材料的界面類型可以分為三類：Ⅰ

37、類界面是平整的而且只有分子層厚度,界面除了原組成物質外,基本上不含其它物質；Ⅱ類界面為原組成物質構成的犬牙交錯的溶解擴散界面；Ⅲ類界面則有微米級左右的界面反應物層[25]。不同條件下同樣組成物質可以構成不同類型界面。其界面結合主要是物理、化學和機械結合三種結合?；瘜W結合方式就是當增強相和基體之間發(fā)生擴散和化學反應，反應產(chǎn)生的化學鍵合可以使增強相和基體之間產(chǎn)生強結合。</p><p>　　界面是復合材料的特征，界面

38、的結構大致包括：界面的結合力、界面的區(qū)域（厚度）和界面的微觀結構等幾個方面。界面及其附近區(qū)域的性能、結構都不同于基體本身的結構，因而構成了界面層。SiC纖維／Ti之間生成的界面含有微米級左右的界面反應物質，纖維之間形成新的化合物層，即界面反應層。界面反應層不是單一的化合物。一般情況下，隨反應程度增加，界面結合強度亦增大，但是由于界面反應產(chǎn)物多為脆性物質，所以當界面層達到一定厚度時，界面上的殘余應力會使界面破壞，反而降低了界面結合強度。&

39、lt;/p><p>　　在金屬基復合材料中，界面對材料內載荷的傳遞、微區(qū)應力和應變的分布、殘余應力、增強機制和斷裂過程，以及導電、導熱、熱膨脹等物理和力學性能有著極為重要的作用和影響。界面的結構和性能是影響基體和增強體性能充分發(fā)揮形成最佳綜合性能的關鍵[25]。連續(xù)纖維增強的復合材料，對纖維的強度和模量比對基體要高。纖維是主要承載體，因此要求界面能有效地傳遞載荷，調解材料內應力分布、阻止裂紋擴展，界面結合強度必須適中

40、。</p><p>　　1.4.2界面反應對復合材料性能的影響</p><p>　　TMC采用不同的制備技術時，基體鈦合金或鈦鋁金屬間化合物與增強體SiC纖維通過兩者間的界面而結合在一起的。TMC所承受的載荷是通過界面由基體傳遞到纖維上的。因此，纖維／基體之間界面的結合狀態(tài)與結合強度、界面的化學反應對復合材料的性能有著很大的影響。在其研制的過程中，必須對界面問題給以足夠的重視。其中界面化學

41、反應尤為重要。</p><p>　　連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的制備方法分為固態(tài)法和液態(tài)法兩類。液態(tài)法通常簡單易行、成本低廉，但難以控制劇烈的界面反應，而且難以實現(xiàn)纖維在基體中的分布均勻性。固態(tài)法包括箔－纖維－箔法（Foil-Fiber-Foil，常簡寫為FFF）、漿料帶鑄造法、等離子噴涂法以及纖維涂層法（Fiber-Coating Method，常簡寫為FCM）等。在制備與服役過程中，纖維與基體之間不可避免的會

42、發(fā)生元素的擴散和界面化學反應，界面反應和反應程度決定了界面結構和特性，其主要行為有：</p><p>　?。?）增強了鈦合金基體與增強纖維的界面結合強度。強的界面結合狀態(tài)下，當出現(xiàn)裂紋時，裂紋在復合材料中擴展遇到纖維，在界面處不會發(fā)生脫粘，裂紋則繼續(xù)發(fā)展穿越纖維，纖維增韌的拔出機制不起作用，會造成復合材料的脆性斷裂。</p><p>　?。?）產(chǎn)生多種脆性的反應產(chǎn)物。脆性的界面反應區(qū)常常是

43、復合材料破壞的裂紋起始源。高溫下，界面反應繼續(xù)進行，將對復合材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。</p><p>　?。?）造成纖維損傷和改變基體成分。盡管復合材料中的纖維常常帶有保護涂層，但是卻不能完全阻止反應的發(fā)生。一旦涂層被消耗，反應延伸到纖維本身，將會使纖維的性能急劇下降。另一方面，界面反應會改變界面附近基體的化學成分，造成TMC的塑性下降。SiC纖維中的元素C還會</p><p>　　擴散到

44、遠離界面的基體中，降低基體合金的韌塑性，并會形成復雜化合物Ti3AlC，這將會使材料性能進一步降低。</p><p>　　總之，如何控制復合材料的界面反應，形成最佳的界面結構，是關鍵問題。是TMC能夠形成有效傳遞載荷、調節(jié)應力分布、阻止裂紋擴展的穩(wěn)定的界面結構。</p><p>　　1.5研究內容及研究方法</p><p>　　在顆粒增強鋁基復合材料中，由于顆粒和基

45、體的熱膨脹系數(shù)差別很大，復合材料在制備冷卻的溫度變化過程中帶來顆粒和界面附近很大的熱殘余應力場，從而對材料尺寸穩(wěn)定性有重要的影響。因此為提高金屬基復合材料的尺寸穩(wěn)定性和使用精度，有必要對其內部微觀應力場進行分析評價，并分析其形成機理，從而提出合理的制備工藝，降低熱殘余應力，提高材料的內在質量。熱殘余應力是一種自平衡的非均勻應力場，尤其是在界面附近，一般處于多方向的復雜應力狀態(tài)。因此，精確測定復合材料中熱殘余應力的大小是非常困難的。<

46、;/p><p>　　目前的試驗方法所測的復合材料熱殘余應力，都是某一尺度范圍內的平均熱殘余應力，其致命的弱點就是不能反映復合材料界面及其附近復雜的應力變化情況。而理論計算熱殘余應力則可以從根本上克服這一弊端。理論分析復合材料中熱殘余應力的大小和分布，目前主要有兩種方法，一種是利用同軸圓柱模型，由于計算過程中復雜的邊界條件和變形協(xié)調問題，最后得到的基本上是各式各樣的經(jīng)驗公式。另一種方法則是利用有限元分析軟件模擬復合材料

47、中的熱殘余應力。該方法能形象直觀地反映熱殘余應力的分布狀況。在有限元計算細觀力學中，大都簡化應用了比較理想的增強相周期性分布的材料模型。一般地，采用FFF法會得到纖維的四方排布和采用FCM法會得到纖維的六方排布。根據(jù)這兩種纖維排布的對稱性和周期性，可采用1/4纖維模型作為代表性單元進行有限元模擬。 </p><p>　　本課題采用二維平面應變模型，運用ABAQUS有限元分析軟

48、件來建立復合材料的有限元模型，以此來模擬復合材料中應力的分布狀況。還要模擬冷卻過程中復合材料熱殘余應力的變化過程及冷卻后熱殘余應力的分布狀況。最后通過改變界面層厚度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等材料性能來分析殘余應力的變化情況。 </p><p>　　2 ABAQUS有限元分析基礎</p><p>　　2.1有限元法及ABAQUS軟件介紹</p><p>　　有限元法是一

49、種高效能、常用的計算方法。隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。不同于求解滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定

50、義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。</p><p>　　有限元法從選擇基本未知量的角度來看，可以分為三類：位移法，力法和混合法。以節(jié)點位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點位移，另一部分以節(jié)點力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。由于位移法通用性較強，計算機程序處理簡單方便，因此得到廣泛的應用。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的

51、集成應用使設計水平發(fā)生了質的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：增加設計功能，減少設計成本；</p><p>　　縮短設計和分析的循環(huán)周期；增加產(chǎn)品和工程的可靠性；采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗或成本；在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；進行機械事故分析，查找事故原因。</p><p>　　簡言之，有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是

52、建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。</p><p>　　隨著工業(yè)發(fā)展和計算機仿真技術的不斷提高，CAD、CAE、CAM越來越受到大家的關注，而有限元被認為是最成熟的分析手段之一，其中ABAQUS是國際上最先進的有限元分析軟件之一。它具有強健的計算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。ABAQUS能為用戶提供了廣泛的功

53、能，且使用起來又非常簡單。大量的復雜問題可以通過選項塊的不同組合很容易的模擬出來。例如，對于復雜多構件問題的模擬是通過把定義每一構件的幾何尺寸的選項塊與相應的材料性質選項塊結合起來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結構的幾何形狀、材料性質、邊界條件及載荷工況。在一個非線性分析中， ABAQUS 能自動選擇相應載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇合適參數(shù)，而且能連續(xù)調節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中有效地得到精確解。

54、用戶通過準確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計算結果。所以本課題也采用此有限元分析軟件。</p><p>　　2.2 ABAQUS軟件界面介紹</p><p>　　其主窗口包括以下部分（如圖2-1）：</p><p>　　圖2-1 ABAQUS 6.9的主界面</p><p><b>　?。?）標題欄</b></p&

55、gt;<p>　　標題欄顯示當前版本及模型數(shù)據(jù)庫的名稱</p><p><b>　?。?）環(huán)境欄</b></p><p>　　ABAQUS包括一系列的功能模塊（module），每一模塊能完成模型的一種特定功能。通過這個module列表可以在各功能之間進行切換。</p><p><b>　?。?）工具欄</b>

56、</p><p>　　工具欄提供了菜單功能的快捷訪問方式。</p><p><b>　　（4）主菜單</b></p><p>　　通過對菜單的操作，可以調用ABAQUS的全部功能。用戶選擇不同的功能模塊時，菜單欄中包括的菜單項也會有所不同。</p><p><b>　?。?）模型樹</b></

57、p><p>　　模型樹直觀的顯示出模型的各個組成部分，如部件、材料、分析步、載荷和輸出要求等。使用模型樹可以更方便的在各功能之間進行切換，實現(xiàn)主菜單和工具欄提供的大部分功能。</p><p><b>　　（6）工具區(qū)</b></p><p>　　當用戶進入某一功能模塊時，工具區(qū)就會顯示該功能模塊相應的工具，幫助用戶快速調用該模塊的功能。</p

58、><p><b>　?。?）視圖區(qū)</b></p><p>　　用戶在這個區(qū)域作圖。</p><p><b>　?。?）提示區(qū)</b></p><p>　　在進行各種操作時，會在這里顯示相應的提示。</p><p>　?。?）信息區(qū)和命令行接口</p><p&

59、gt;　　顯示狀態(tài)信息和警告。鍵入命令和數(shù)學表達式。</p><p>　　2.3 ABAQUS分析步驟</p><p>　　有限元分析包括以下三個步驟：前處理、分析計算、后處理。</p><p>　　（1）前處理（ABAQUS/CAE）</p><p>　　在前處理階段需要定義物理問題的模型，并生成一個ABAQUS輸入文件。ABAQUS/CA

60、E是完整的ABAQUS運行環(huán)境，可以生成ABAQUS模型、交互式的提交和監(jiān)控分析作業(yè)，并顯示分析結果。ABAQUS/CAE分為若干個功能模塊，每一個模塊定義了模擬過程的一個方面，例如，定義幾何形狀、材料性質和網(wǎng)格等。建模完成后，ABAQUS/CAE可以生成ABAQUS輸入文件，提交給ABAQUS/Standard。</p><p>　　（2）分析計算（ABAQUS/Standard）</p><

61、;p>　　在分析計算階段，使用ABAQUS/Standard求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，通常以后臺方式運行，分析結果保存在二進制文件中，以便于后處理。</p><p>　　（3）后處理（ABAQUS/Viewer）</p><p>　　后處理部分可以讀入分析結果數(shù)據(jù)，以多種方式顯示分析結果，包括彩色云紋圖、動畫、變形圖和XY曲線圖等。</p><p>　　

62、2.4ABAQUS/CAE的功能模塊</p><p>　　2.4.1 Part功能模塊</p><p>　　ABAQUS/CAE中的模型由一個或多個部件構成，用戶可以在Part功能模塊中創(chuàng)建和修改各個部件，具體包括以下功能：</p><p>　?。?）主菜單Part 創(chuàng)建柔體部件、離散剛體部件或解析剛體部件，對它們進行復制、重命名、刪除、鎖定和解除鎖定等操作。&

63、lt;/p><p>　　（2）主菜單Shape 通過創(chuàng)建拉伸、旋轉、掃掠、倒角和放樣等特征來定義不見得幾何形狀。</p><p>　?。?）主菜單Feature 編輯、重新生成、抑制、恢復和刪除幾何部件的特征。</p><p>　?。?）主菜單Tools 定義集合、基準、剛體部件的參考點，分割部件。</p><p>　　2.4.2 Pro

64、perty(特性)功能模塊</p><p>　　在ABAQUS/CAE中，不能直接指定單元或幾何部件的材料特性，而是要首先定義相應的截面屬性，然后指定截面屬性的材料，再把此截面屬性賦予相應的部件。</p><p>　　主要可以完成以下操作：</p><p>　?。?）主菜單Material 創(chuàng)建和管理材料。</p><p>　?。?）主菜

65、單section 創(chuàng)建和管理截面屬性。</p><p>　　（3）主菜單Profile 創(chuàng)建和管理梁截面。</p><p>　?。?）主菜單Special→Skin 在三維物體的某一個面或軸對稱物體的一條邊上附上一層皮膚，這種皮膚的材料可以與物體原來的材料不同。</p><p>　　（5）主菜單Assign 指定部件的截面、取向、法線方向和切線方

66、向。</p><p>　　2.4.3 Assembly（裝配）功能模塊</p><p>　　每個部件都被創(chuàng)建在自己的局部坐標系中，在模型中相互獨立。使用這個模塊可以為各個部件創(chuàng)建實體，并在整體坐標系中為這些實體定位，形成一個完整的裝配件。實體是部件在裝配件中的一種映射，用戶可以為一個部件重復地創(chuàng)建多個實體，每個實體總是保持著和相應部件的聯(lián)系。如果在Part功能模塊中修改部件的形狀尺寸，或

67、在Property功能模塊中修改部件的材料特征，這個部件相應的實體就會自動隨之改變，不能直接對實體進行上述修改。</p><p>　　在Assembly功能模塊中主要可以進行以下操作：</p><p>　?。?）主菜單Instance 創(chuàng)建實體，通過平移和旋轉來為實體定位，把多個實體合并為一個新的部件，或者把一個實體切割（cut）為多個新的部件。</p><p>

68、;　?。?）主菜單Constraint 通過建立各個實體間的位置關系來為實體定位，包括面與面平行、面與面相對、邊與邊平行、邊與邊相對、軸重合、點重合、坐標系平行等。</p><p>　　2.4.4 Step（分析步）功能模塊</p><p>　　使用主菜單Step下的各菜單項可以創(chuàng)建和管理各個分析步。ABAQUS/CAE的分析過程是由一系列的分析步組成的，其中包括兩種分析步。</

69、p><p>　?。?）初始分析步 ABAQUS/CAE會自動創(chuàng)建一個初始分析步，可以在其中定義模型初始狀態(tài)下的邊界條件和相互作用（interaction）。初始分析步只有一個，名字是“Initial”,它不能被編輯、重命名、替換、復制或刪除。</p><p>　?。?）后續(xù)分析步 在初始分析步之后，需要創(chuàng)建一個或多個后續(xù)分析步，每個后續(xù)分析步描述一個特定的分析過程，例如載荷或邊界條件的變化

70、、部件之間相互作用的變化、添加或去除某個部件等等。</p><p>　　創(chuàng)建后續(xù)分析步時可以選擇它的類型，主要包括兩大類：</p><p>　?。?）通用分析步（general analysis step） 可以用于線性或非線性分析。常用的通用分析步包括以下類型—Static,General(進行靜力分析)；Dynamics,Implicit(進行隱式動力分析)；Dynamics，Exp

71、licit(進行顯式動態(tài)分析)。</p><p>　?。?）線性攝動分析步（Linear perturbation step） 只能用來分析線性問題。在ABAQUS/ Explicit中不能使用線性攝動分析步。</p><p>　　2.4.5 Interaction(相互作用)功能模塊</p><p>　　在Interaction功能模塊中，主要可以定義模型的以下

72、相互作用。</p><p>　　（1）主菜單Interaction 定義模型的各部分之間或模型與外部環(huán)境之間的力學或熱相互作用，例如接觸、彈性地基、熱輻射等。</p><p>　　（2）主菜單Constraint 定義模型各部分之間的約束關系。</p><p>　　（3）主菜單Connector 定義模型中的兩點之間或模型與地面之間的連接單元（Connec

73、tor），用來模擬固定連接、鉸接、恒定速度連接、止動裝置、內摩擦、失效條件和鎖定裝置等。</p><p>　　（4）主菜單Special→Inertia 定義慣量（包括點質量/慣量、非結構質量和熱容）。</p><p>　?。?）主菜單Special→Crack 定義裂紋。</p><p>　?。?）主菜單Special→Springs 定義模型中的兩點之間

74、或模型與地面之間的彈簧和阻尼器。</p><p>　?。?）主菜單Tools 常用的菜單項包括Set(集合)、Surface（面）和Amplitude(幅值)等。</p><p>　　2.4.6 Load(載荷)功能模塊</p><p>　　在Load(載荷)功能模塊中，主要可以定義載荷、邊界條件、場變量（field）和載荷狀況（load case）。</

75、p><p><b>　　（1）載荷</b></p><p>　　點擊主菜單Load→Create,可以定義以下類型的載荷：</p><p>　　● Concentrated Force:施加在節(jié)點或幾何實體定點上的集中力，表示為力在三個方向上的分量。</p><p>　　● Moment: 施加在節(jié)點或幾何實體定點上的彎矩，

76、表示為力矩在三個方向上的分量。</p><p>　　● Pressure:單位面積載荷（載荷的方向總是與面或邊垂直，正值為壓力，負之為拉力）。</p><p>　　● Body Force:單位體積上的體力。</p><p>　　● Generalized Plane Strain:廣義平面應變載荷，它施加在由廣義平面應變單元所構成區(qū)域的參考點上。</p>

77、;<p>　　● Connector Force:施加在連續(xù)單元上的力。</p><p><b>　　●溫度和電場變量。</b></p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　使用主菜單BC可以定義以下類型的邊界條件：對稱/反對稱/固支、位移/轉角、速度/角速度、加速度/角加速度、連

78、續(xù)單元位移/速度/加速度、溫度、聲音壓力、孔隙壓力、電勢、質量集中。載荷和邊界條件與分析步有關，用戶必須指定載荷和邊界條件在哪些分析步中起作用。</p><p>　　2.4.7 Mesh(網(wǎng)格)功能模塊</p><p>　　在Mesh功能模塊中主要可以實現(xiàn)以下功能：布置網(wǎng)格種子；設置單元形狀、單元類型、網(wǎng)格劃分技術和算法；劃分網(wǎng)格；檢驗網(wǎng)格質量。在建模過程中，劃分網(wǎng)格是一個比較重要而復雜的

79、步驟，需要根據(jù)經(jīng)驗來綜合使用多種技巧。</p><p>　　2.4.8 Job(分析作業(yè))功能模塊</p><p>　　在這個模塊中可以實現(xiàn)以下功能：創(chuàng)建和編輯分析作業(yè)；提交分析作業(yè)；生成INP文件；監(jiān)控分析作業(yè)的運行狀態(tài)；中止分析作業(yè)的運行。</p><p><b>　　2.5建立模型</b></p><p>　　建模

80、在整個分析過程中占用的時間比較長，因為先得對所給標題進行分析，然后建立幾何模型和定義一些屬性參數(shù)。建模的要點是：（1）通過簡單的力學分析，可以知道該問題屬于平面應力問題；（2）基于結構和載荷的對稱性，可以只取模型的1/4進行分析。建立實體模型時有二維和三維之分，本課題應用建立二維幾何模型來分析。</p><p><b>　　2.5.1創(chuàng)建部件</b></p><p>

81、　　此步驟在Part功能模塊中進行，因為在其中可以進行創(chuàng)建、編輯及管理模型的各個部分。具體操作是：打開主界面后，看到模塊列表Module：part，這表明當前處在部件功能模塊，在這個模塊中可以定義模型各部分的幾何形體。點擊左側工具區(qū)的Create part,彈出如下圖2-2的Create part對話框，在name后輸入文件名字，將Modeling Space(模型所在空間)設為2D Planar(二維平面)，其余參數(shù)不變，點擊Cont

82、inue。繪制完圖形后要保存，文件自動生成file name.cae格式。</p><p>　　2.5.2創(chuàng)建材料和截面屬性</p><p>　　在窗口左上角的Module(模塊)列表中選擇Property(特性)功能模塊，點擊左側工具區(qū)中的Create Material,彈出Edit Material對話框，在此對話框中可完成彈性及塑性變量、熱膨脹系數(shù)等一系列材料屬性的設置。此步為創(chuàng)建材

83、料。</p><p>　　點擊左側工具區(qū)的Create section鍵,在彈出Edit Section對話框后保持默認參數(shù)不變，點擊continue。這里是定義截面屬性。</p><p>　　點擊左側工具區(qū)Assign Section,再點擊視圖區(qū)的平板模型，當選中的實體邊界以紅色高亮度顯示時，在視圖中點擊中鍵，彈出Edit Section Assignment對話框后再點擊OK。<

84、;/p><p>　　2.5.3定義裝配件</p><p>　　在窗口左上角的Module列表中選擇Assembly(裝配)功能模塊，點擊左側工具區(qū)的Instance Part鍵，彈出如圖2-3 Create Instance對話框，將Instance Type選為Independent(mesh on instance),點擊OK。本課題需要將三個模塊粘連在一起，所以還需要點擊Tranlate

85、 Instance鍵，它可將各個模塊粘在一起。</p><p>　　圖2-2 Create part對話框 圖2-3 Create Instance對話框</p><p><b>　　2.5.4定義接觸</b></p><p>　　上面將各個模塊粘接在一起后，要定義各個接觸面。進入Module列表中的選擇

86、Interaction功能模塊，點擊Create Constraint,彈出如圖2-4對話框后，將Type選為tie,點擊OK。然后點擊左下角的surface，在視圖中選中其中一個接觸面，再點擊Done，接著再次點擊左下角的surface，再選中另一個接觸面，點擊Done。這樣面接觸就定義完了。</p><p>　　2.5.5設置分析步</p><p>　　ABAQUS/CAE會自動創(chuàng)建一

87、個初始分析步（initial step），可以在其中施加邊界條件。用戶還可以根據(jù)自己的分析題目來設置后續(xù)分析步（analysis step）,用來施加載荷。具體操作方法是：在窗口左上角Module列表中選擇Step(分析步)功能模塊。點擊左側工具區(qū)的Create Step鍵，在彈出的如圖2-5的對話框中參數(shù)保持默認值（Procedure type:General;選中Static,General）,點擊continue,在彈出的Edit

88、 Step對話框中，保持各參數(shù)的默認值，點擊 </p><p>　　圖2-4 Create Constraint對話框 圖2-5 Create Step對話框</p><p>　　2.5.6定義邊界條件</p><p>　　在窗口左上角的Module列表中選擇Lo

89、ad（載荷）功能模塊，定義邊界條件。</p><p>　　（1）定義左邊上的對稱邊界條件</p><p>　　點擊左側工具區(qū)的Create Boundary Condition鍵，或在主菜單中選擇BC→Create。在彈出的對話框中輸入名字，將Step設為Initial,其余各項參數(shù)保持默認值，點擊continue。此時窗口底部提示信息變?yōu)椤癝elect regions for the b

90、oundary condition”時，點擊模型左側邊界線，以紅色高亮度顯示被選中的線，在視圖中點擊鼠標中鍵（如圖2-6所示）。然后彈出Edit Boundary Condition對話框，選中XSYMM（U1=UR2=UR3=0）,然后點擊OK （如圖2-7所示）。</p><p>　　圖2-6 Create Boundary Condition對話框 圖2-7 Edit Boundary Co

91、ndition對話框</p><p>　?。?）定義模型底邊上的邊界條件</p><p>　　與上一步步驟基本相同，也是點擊左側工具區(qū)的Create Boundary Condition鍵，在彈出的對話框中輸入名字，將Step設為Initial,其余各項參數(shù)保持默認值，點擊continue。當窗口處下端有同樣的提示信息時，點擊模型的底部邊界線，當以紅色高亮度顯示時，在視圖中點擊鼠標中鍵，選

92、中YSYMM（U2=UR1=UR3=0）（如圖2-8）。然后點擊OK。視圖中模型會如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-8 Create Boundary Condition對話框 圖2-9 定義完左邊和下邊邊界條件后的模型</p><p><b>　　2.5.7劃分網(wǎng)格</b></p><p>　　在窗口左上角的Mo

93、dule列表中選擇Mesh(網(wǎng)格)功能模塊，將環(huán)境欄中Object選項設為Part,即為所選的模塊進行劃分網(wǎng)格。</p><p>　?。?）設置邊上的種子 </p><p>　　在左側工具區(qū)中鼠標按住Seed Part鍵不放，選擇Seed Edge:by number,然后點擊模型，在窗口底端設置Number of elements along the edges(邊界線上的單元數(shù))，再次

94、在視圖中點擊鼠標中鍵。</p><p>　?。?）設置網(wǎng)格控制參數(shù)</p><p>　　點擊左側工具區(qū)的Assign Mesh Controls,在彈出的對話框（如圖2-10）中將Techniques設為Structured,其余參數(shù)保持默認值，然后點擊OK。</p><p><b>　　（3）設置單元類型</b></p><

95、;p>　　點擊左側工具區(qū)的Assign Elements Type鍵,彈出對話框（如圖2-11）中將Geometric Order(幾何階次)改為Quadratic(二次單元)，取消對Reduced integration(減縮積分)的選擇，其余保持默認值，點擊OK。</p><p><b>　　（4）劃分網(wǎng)格</b></p><p>　　點擊左側工具區(qū)中的Me

96、sh Part Instance,窗口底部提示區(qū)顯示“OK to mesh the part instance?”,在視圖中點擊鼠標中鍵，或直接點擊Yes,這樣網(wǎng)格就劃好了。 </p><p>　　圖2-10 Assign Mesh Controls對話框 圖2-11 Elements Type對話框</p><p><b>　　2.6提交分

97、析作業(yè)</b></p><p>　　在Module列表中選擇Job(分析作業(yè))功能模塊。</p><p><b>　?。?）創(chuàng)建分析作業(yè)</b></p><p>　　點擊左側工具區(qū)的Job Manager,彈出對話框，點擊Create（創(chuàng)建新的作業(yè)），輸入名字，點擊continue，彈出Edit Job對話框，各參數(shù)保持默認值，點擊

98、OK。</p><p><b>　?。?）提交作業(yè)</b></p><p>　　在Job Manager對話框中點擊Submit(提交分析)，當分析完成后，點擊Results(分析結果)，自動進入Visualization模塊。</p><p><b>　　2.7結構后處理</b></p><p>

99、　　后處理是指檢查并分析求解的結果的相關操作。這可能是分析中最重要的一環(huán)之一， 因為任何分析的最終目的都是為了研究作用在模型上的的載荷是如何影響設計的。此步驟會顯示出模型未變形圖、變形圖、云紋圖及動畫，也會顯示出節(jié)點的應力值，具體做法是在主菜單中選擇Tools→Query(查詢)，在彈出的對話框中選擇Probe values(查詢值)，然后點擊OK。</p><p>　　3 有限元模擬熱殘余應力</p>

100、;<p>　　由于基體金屬和增強相纖維之間的熱膨脹系數(shù)差異很大，當復合材料從較高的制備溫度冷卻至室溫時，復合材料中將產(chǎn)生熱殘余應力。熱殘余應力是復合材料的一大本質特征。目前在這方面的研究已取得較大進展。金屬基復合材料中的熱殘余應力對復合材料的力學性能（彈性模量、屈服強度、蠕變速率、疲勞壽命等）具有重大影響，因此一直受到材料工作者的重視和關注。</p><p><b>　　3.1有限元模型&

101、lt;/b></p><p>　　在有限元計算細觀力學中，大都簡化應用了比較理想的增強相周期性分布的材料模型。連續(xù)纖維增強復合材料中纖維的排布方式與制備方法和工藝直接相關。本課題采用FCM法會得到纖維的六方排布（如圖3-1所示），選取1/4纖維模型（如圖3-1陰影區(qū)）作為代表性單元進行有限元模擬（如圖3-2所示）。該模型的約束和載荷條件如下：下底邊界在Y方向的位移為零，左側邊界在X方向的位移為零，溫度載荷施

102、加于整個有限元模型。</p><p>　　圖3-1 復合材料中纖維的六方排布 圖3-2 對應所取的1/4纖維模型</p><p><b>　　3.2材料性能</b></p><p>　　在模擬過程中，復合材料的纖維體積分數(shù)為35%，SiC纖維視為彈性體，鈦基體視為雙線性硬化彈塑性材料。制備溫度主要選取

103、了1500℃、1200℃和1000℃三個溫度，并假定復合材料在制備溫度下為無內應力狀態(tài)，然后緩慢冷卻到室溫20℃，即不考慮溫度梯度導致的內應力。由于界面層結構和性能的復雜性，其具體性能參數(shù)，如彈性模量、熱膨脹系數(shù)等一般難以確定。因此在模擬過程中，界面性能參數(shù)被認為是在一定范圍內的變化。具體的性能見下表3-1。</p><p>　　表3-1 有限元分析中纖維、基體和界面層的材料性能</p><p

104、>　　建模過程中模型的纖維直徑取100μm,沿纖維徑向方向基體厚度為30μm，界面層厚度取2、5、7、10μm。</p><p>　　3.3熱殘余應力結論與分析</p><p>　　3.3.1界面層厚度對熱殘余應力影響</p><p>　　（a）界面層厚度為2μm （b）界面層厚度為5μm</p><p&g

105、t;　　(c)界面層厚度為7μm (d)界面層厚度為10μm</p><p>　　圖3-3 界面層厚度對復合材料熱殘余應力的影響</p><p>　　上圖3-3是界面層厚度的變化對復合材料熱殘余應力的影響的云紋分布圖。上述模擬過程中界面層的楊氏模量取80GPa,溫度選取從1500℃降到室溫20℃，熱膨脹系數(shù)選取9.8×10-6/℃，界面

106、層厚度分別選取了2、5、7、10μm。</p><p>　　3.3.2界面層彈性模量對熱殘余應力影響</p><p>　　(a)界面層彈性模量為40GPa (b)界面層彈性模量為60GPa</p><p>　?。╟）界面層彈性模量為80GPa （d）界面層彈性模量為100GPa</p><p