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.pdf

1、現(xiàn)如今，無論從航空航天技術(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)過程設(shè)計(jì)中的作用越來越大，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?，F(xiàn)代復(fù)合材料計(jì)算力學(xué)通過不同的科學(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、多相和非穩(wěn)態(tài)物

2、理和力學(xué)問題的研究，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)行了如下幾個方面的研究工作：
　　 1.對纖維增強(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

3、調(diào)用的Python語言腳本程序。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模型生成的雙擾動算法。本文利用雙擾動算法生成的RVE模型，對纖維增強(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，對纖維增強(qiáng)單向復(fù)合材料橫截面內(nèi)單向拉伸時的力學(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)聚力單元來表示。

4、討論了界面相厚度、模量、泊松比和強(qiáng)度對于復(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，界面相對剛度的影響越弱，而對泊松比v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程。其中，用內(nèi)聚力單元來實(shí)現(xiàn)纖維與基體界面的脫粘過程。研究發(fā)現(xiàn)：對于此類模擬，退化因子d

5、=0.01是足夠而有效的；各個組分材料的強(qiáng)度對材料的失效都有明顯的影響。
　　 4.通過在有限元網(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)度與能量釋放率對復(fù)合材料整體失效應(yīng)變的影響，總結(jié)了拉伸過程中，微裂紋個數(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