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基于內(nèi)聚力模型的復(fù)合材料拉伸性能細(xì)觀有限元分析

字體大�。� - - gqgmzhang   發(fā)表于 16-02-19 18:58     閱讀(72)       分類：

 【摘要】：現(xiàn)如今，無(wú)論從航空航天技術(shù)和核設(shè)備工程到微電子或者結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，復(fù)合材料都發(fā)揮著重要的作用�？紤]到這一現(xiàn)實(shí)以及數(shù)值試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)中的作用越來(lái)越大，計(jì)算力學(xué)研究和發(fā)展方向的最重要的內(nèi)容之一就是要能夠?qū)@些材料進(jìn)行精確模擬。現(xiàn)代復(fù)合材料計(jì)算力學(xué)通過(guò)不同的科學(xué)領(lǐng)域，從實(shí)驗(yàn)材料科學(xué)到先進(jìn)計(jì)算技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)，遵從許多不同的研究方法。基于有限元方法的商業(yè)計(jì)算機(jī)程序(例如ABAQUS、ANSYS等)現(xiàn)在能夠進(jìn)行可視化多場(chǎng)、多相和非穩(wěn)態(tài)物理和力學(xué)問(wèn)題的研究，甚至可以使用隨機(jī)變量把不確定性引入到計(jì)算機(jī)模擬之中。本論文基于細(xì)觀力學(xué)理論，用有限元方法分析了兩種典型復(fù)合材料(纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料和納米化不銹鋼層合軋壓復(fù)合材料)的力學(xué)性能與其內(nèi)在組分材料之間的關(guān)系，進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究工作： 1．對(duì)纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料的橫向SEM圖像進(jìn)行了數(shù)字化處理，得到了纖維在橫截面內(nèi)的幾何微結(jié)構(gòu)特征屬性,包括面積、離心率、空間分布、方位角等。然后，編寫了方便ABAQUS軟件調(diào)用的Python語(yǔ)言腳本程序。該程序?qū)崿F(xiàn)了兩種纖維隨機(jī)分布的RVE模型的生成方法：一種是用于較低體積含量的硬核算法，另一種是用于較高體積含量的RVE模型生成的雙擾動(dòng)算法。本文利用雙擾動(dòng)算法生成的RVE模型，對(duì)纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料進(jìn)行了橫向剛度分析和極限承載力的分析。 2．在考慮界面相情況下，對(duì)纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料橫截面內(nèi)單向拉伸時(shí)的力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，其中，界面相單元采用服從線性應(yīng)力—分離演化規(guī)律的內(nèi)聚力單元來(lái)表示。討論了界面相厚度、模量、泊松比和強(qiáng)度對(duì)于復(fù)合材料整體橫向性能的影響。研究結(jié)果表明：界面相厚度越小，界面相對(duì)剛度的影響越弱，而對(duì)泊松比ν的影響越大；界面相模量越大，復(fù)合材料的等效模量越大；復(fù)合材料整體橫向拉伸強(qiáng)度隨著界面相強(qiáng)度的增加而增加。 3．聯(lián)合使用ABAQUS中的子程序USDFLD和UMAT，模擬了單纖維復(fù)合材料體系的縱向拉伸損傷過(guò)程。其中，用內(nèi)聚力單元來(lái)實(shí)現(xiàn)纖維與基體界面的脫粘過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于此類模擬，退化因子d=0.01是足夠而有效的；各個(gè)組分材料的強(qiáng)度對(duì)材料的失效都有明顯的影響。 4．通過(guò)在有限元網(wǎng)格中間插入內(nèi)聚力單元，建立了納米化不銹鋼層合軋壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的內(nèi)聚有限元模型。分別研究了納米晶層材料和粗晶基體材料的內(nèi)聚強(qiáng)度與能量釋放率對(duì)復(fù)合材料整體失效應(yīng)變的影響，總結(jié)了拉伸過(guò)程中，微裂紋個(gè)數(shù)與損傷耗散能的變化規(guī)律。此外，納米晶層體積含量在兩種不同分布形式下，對(duì)復(fù)合材料整體失效應(yīng)變的影響也做了初步研究。 綜上所述，本文建立了兩種典型復(fù)合材料的有限元模型，研究了這些材料在拉伸載荷下的力學(xué)響應(yīng)，，希望本文的結(jié)果能夠?yàn)楦M(jìn)一步的研究與復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供一定的參考和幫助。

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