【摘要】：聚合物礦物復(fù)合材料是由改性環(huán)氧樹脂等聚合物為膠結(jié)料,以花崗石等礦物顆粒為骨料,并加入石英砂或粉煤灰等填料,固化后形成的一種復(fù)合材料,因其良好的可加工性、高振動(dòng)阻尼性,以及較低的熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù),在機(jī)床制造業(yè)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。在細(xì)觀尺度上,聚合物礦物復(fù)合材料是由骨料、基體及其之間的界面過渡區(qū)等組成的一種多相非均質(zhì)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,各組分的性能與結(jié)構(gòu)都對(duì)其宏觀性能產(chǎn)生影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,建立有效的數(shù)值模型,研究材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和組分性能與材料整體性能的關(guān)系,對(duì)聚合物礦物復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全評(píng)估具有重要意義。本文深入了解了目前已有的細(xì)觀數(shù)值模型以及聚合物礦物復(fù)合材料各組分的性能特點(diǎn)和細(xì)觀結(jié)構(gòu),針對(duì)已有方法建模效率低或難以生成高體積分?jǐn)?shù)骨料等問題,提出了一種創(chuàng)建高密實(shí)度三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的投落法及其密實(shí)度控制策略,并根據(jù)工程實(shí)際中的骨料形狀特征和試塊制備方法,建立了骨料被基體完全包裹和骨料與試樣邊界相交的聚合物礦物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型,考慮到界面過渡區(qū)的影響,揭示了細(xì)觀組分結(jié)構(gòu)及其材料參數(shù)對(duì)復(fù)合材料宏觀性能的影響,最后通過建立粘結(jié)裂縫模型,研究了不同組分結(jié)構(gòu)下的材料斷裂行為和裂紋擴(kuò)展規(guī)律,從而為聚合物礦物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。主要工作及結(jié)論如下:(1)提出了一種首先在較大空間中通過隨機(jī)投放生成松散骨料模型,然后對(duì)骨料施加重力加速度,并通過有限元法將骨料下落到模型空間中,以生成高密實(shí)度聚合物礦物復(fù)合材料三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的投落法。該方法不僅能夠快速生成骨料體積分?jǐn)?shù)50%以上的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型,而且在骨料體積分?jǐn)?shù)為10%、15%的模型生成中,分別比傳統(tǒng)隨機(jī)投放法節(jié)省計(jì)算時(shí)間56.9%、90.91%,表明隨著骨料體積分?jǐn)?shù)提高,投落法的效率優(yōu)勢愈加明顯。提出了通過骨料表面殼單元厚度來控制骨料間隙,以保證骨料顆粒裹膠厚度的新方法,通過擬合曲線,建立了按富勒級(jí)配且最大顆粒尺寸為16 mm狀況下,殼單元厚度與骨料體積分?jǐn)?shù)的定量關(guān)系。根據(jù)工程實(shí)際中試塊制備的鑄型法和鋸切法,分別提出了模型邊界處骨料顆粒的單元?jiǎng)h除法和幾何裁切法,建立了骨料被基體完全包裹和骨料與試樣邊界相交兩種結(jié)構(gòu)模型,計(jì)算得到相同骨料級(jí)配下,后者的體積分?jǐn)?shù)比前者約高l 0%,而當(dāng)體積分?jǐn)?shù)同為49%時(shí),后者的彈性模量比前者高約2.96%,表明骨料與試樣邊界相交的模型在體積率和彈性模量方面優(yōu)于骨料被基體完全包裹的情況�；陧憫�(yīng)面分析法,探討了骨料和基體彈性模量對(duì)材料宏觀彈性模量的影響規(guī)律,根據(jù)模擬所得優(yōu)化響應(yīng)面,可以分析要獲得一定性能的復(fù)合材料所需組分的彈性模量。(2)根據(jù)工程實(shí)際中骨料顆粒的幾何形狀特征,提出了生成凸形和凸凹形顆粒模型的新算法,進(jìn)一步簡化了骨料之間的干涉判斷,當(dāng)骨料體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí),可有效節(jié)省計(jì)算時(shí)間38.54%。利用最近鄰分布函數(shù)描述骨料空間分布狀況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)最終體積分?jǐn)?shù)均為25%時(shí),投落法所生成的骨料的最近鄰概率密度峰值稍高于傳統(tǒng)隨機(jī)投放法約0.08,證明前者生成的骨料分布更加均勻。對(duì)比隨機(jī)投放的骨料模型和下落后骨料模型的骨料最近鄰概率密度分布,發(fā)現(xiàn)二者基本一致;進(jìn)一步分析松散模型與高密實(shí)度模型中粗骨料與細(xì)骨料均勻分布和非均勻分布兩種狀況,證實(shí)了模型創(chuàng)建過程中骨料分布規(guī)律的遺傳性。追蹤骨料下落路徑,觀察下落后的高密實(shí)度模型,發(fā)現(xiàn)凸凹形骨料之間產(chǎn)生與工程實(shí)際一致的顆粒咬合的進(jìn)化現(xiàn)象。(3)研究了礦物骨料與聚合物基體之間的界面過渡區(qū)的建模方法,建立了聚合物礦物復(fù)合材料的三相細(xì)觀模型。通過單變量法,研究了界面過渡區(qū)的厚度、彈性模量以及骨料顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸對(duì)聚合物礦物復(fù)合材料彈性模量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他變量一定時(shí),聚合物礦物復(fù)合材料的彈性模量與界面過渡區(qū)的厚度成反比,與界面過渡區(qū)的彈性模量和骨料顆粒的體積分?jǐn)?shù)成正比,而骨料尺寸對(duì)其影響不大。(4)建立了含有不同形狀骨料的聚合物礦物復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的粘結(jié)裂縫模型,在基體、骨料和它們之間的界面上全部插入粘聚力單元,研究了模型受載時(shí)的斷裂行為和裂紋擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)果表明,骨料的形狀越圓滑,越不容易造成應(yīng)力集中,其拉伸斷裂強(qiáng)度也越高;聚合物礦物復(fù)合材料的宏觀抗拉強(qiáng)度隨著骨料體積分?jǐn)?shù)的增加而降低;當(dāng)界面粘聚力單元的抗拉強(qiáng)度和斷裂能為基體的12.5%和25%時(shí),破壞僅發(fā)生于界面過渡區(qū)和基體內(nèi)部,隨著界面粘結(jié)裂縫斷裂性能的提高,骨料內(nèi)部也發(fā)生破壞,當(dāng)界面過渡區(qū)和基體斷裂性能一致時(shí),裂紋變得比較平整。材料宏觀應(yīng)力—位移響應(yīng)的峰前階段和峰值應(yīng)力都受基體粘聚力單元抗拉強(qiáng)度的影響,而斷裂能不影響峰前階段,基體粘聚力單元的抗拉強(qiáng)度和斷裂能的提高都能提高材料的整體抗拉強(qiáng)度。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB33
【圖文】：

備以及固化成型過程中會(huì)產(chǎn)生收縮，造成界面上微裂紋的發(fā)生｜２５］，加上骨料的逡逑離析作用，聚合物礦物復(fù)合材料的表面會(huì)形成低硬度的漿體面層［２６），使得材料逡逑性能不能充分發(fā)揮。如圖１．２用聚合物礦物復(fù)合材料生產(chǎn)的機(jī)床床身，如果材料逡逑彈性模量低并造成結(jié)構(gòu)剛度不足，其橫梁將因重力和工作負(fù)載產(chǎn)生向下的彎曲變逡逑形，從而影響機(jī)床的形狀和尺寸精度。逡逑

有骨料、基體的兩相材料模型，或者包括界面過渡區(qū)的三相復(fù)合材料模型，最終逡逑劃分有限元網(wǎng)格并賦予其材料屬性，能夠比較真實(shí)地反映低密實(shí)度顆粒增強(qiáng)復(fù)合逡逑材料的內(nèi)部空間細(xì)觀結(jié)構(gòu)［７８￣８７］，包括了二維和三維建模（圖１．４）。骨料模型的逡逑建立主要是采用隨機(jī)投放法，單個(gè)骨料顆粒幾何形狀的生成和放置分開執(zhí)行。“投”逡逑步驟中，空間中生成隨機(jī)形狀的二維多邊形或三維多面體。在“放”階段，多邊逡逑形或多面體被隨機(jī)投放至試樣空間中。這種隨機(jī)骨料模型可以很好地模擬復(fù)合材逡逑料的受力以及破壞過程，但是傳統(tǒng)的隨機(jī)投放方法受到計(jì)算量的限制，最高能建逡逑立３５％以內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)的骨料模型，無法實(shí)現(xiàn)三維高骨料體積分?jǐn)?shù)的細(xì)觀模型的逡逑建立。逡逑■邐＿逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．４隨機(jī)骨料模型逡逑（ａ）二維隨機(jī)骨料模型（ｂ）三維隨機(jī)骨料模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ逡逑（ａ）邋ｔｗｏ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ邋（ｂ）邋ｔｈｒｅｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ逡逑基于隨機(jī)骨料模型，對(duì)材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研宄最開始著眼于二維尺度內(nèi)的研宄。逡逑在二維平面內(nèi)模擬骨料顆粒所利用的基本圖形有：圓、橢圓及多邊形。根據(jù)瓦拉逡逑１５逡逑

的區(qū)域關(guān)聯(lián)的連續(xù)多邊形。每個(gè)Ｖｏｒｏｎｏｉ多邊形都可以認(rèn)為是根據(jù)一個(gè)點(diǎn)所創(chuàng)造逡逑的區(qū)域。此多邊形的大小、位置和形狀都與周邊點(diǎn)的狀態(tài)有關(guān)。Ｖｏｒｏｎｏｉ多邊形逡逑內(nèi)部只有一個(gè)離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且多邊形上的點(diǎn)距離響應(yīng)離散點(diǎn)最近，如圖１．６逡逑所示。使用Ｖｏｒｏｎｏｉ／Ｄｅｌａｉｍａｙ劃分方法產(chǎn)生的骨料形狀可能與自然骨料很接近，逡逑但難以控制尺寸分布，無法考慮骨料級(jí)配的影響，并且當(dāng)涉及到三維空間的建模逡逑時(shí)，由于空間布點(diǎn)的困難，網(wǎng)格劃分比較困難。逡逑１７逡逑

本文編號(hào)：2793672