復(fù)合材料彈性力學(xué)特性數(shù)值預(yù)測研究.pdf

1、復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注，本文主要探討其宏觀彈性性質(zhì)的預(yù)測。本文采用直接建模有限元方法，研究復(fù)合材料的有效彈性性質(zhì)，并出于驗證和比較的目的回顧和分析了經(jīng)典的理論上下界限和解析方法。由于針對傳統(tǒng)的夾雜一基體型復(fù)合材料的理論方法和數(shù)值建模方法較為成熟，本文研究的復(fù)合材料主要是指微觀結(jié)構(gòu)中無法清楚區(qū)分基體相和夾雜相的非夾雜一基體型復(fù)合材料。本文主要的工作如下： 1．分析了經(jīng)典的復(fù)合材料彈性性質(zhì)預(yù)測的理論上下界限和解析方法，比

2、較了不同組分材料彈性模量比的情形下，Hashin-Shtrikman界限和Voigt-Reuss界限所確定的有效模量的理論界限范圍；針對兩相復(fù)合材料，研究了不同基體夾雜組合時，廣義自洽方法、Mori-Tanaka方法和Halpin-Tsai方法的預(yù)測結(jié)果及其與Hashin-Shtrikman界限的關(guān)系。 2．提出了直接建模有限元方法的建模思路并介紹了其具體實現(xiàn)方法：通過將初始樣本模型離散成大小形狀相同的初始材料域，按照一定概率分

3、布規(guī)則賦予材料域相應(yīng)組分材料屬性并細分材料域為若干個有限元單元，實現(xiàn)了對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的模擬，建立了復(fù)合材料的平面和三維模型。 3．運用直接建模有限元方法，建立了兩相隨機復(fù)合材料的有限元模型，并通過后續(xù)的有限元分析得到了平面和三維情況下，樣本復(fù)合材料有效模量的預(yù)測值。通過將預(yù)測值與Hashin-Shtrikman理論上下界限的比較驗了本文提出方法的有效性；通過與廣義自洽方法預(yù)測結(jié)果的比較，證明了經(jīng)典解析方法對非夾雜—基體復(fù)合材

4、料有效彈性模量的預(yù)測存在不足，而本文提出的方法可以有效的預(yù)測這種復(fù)合材料的有效彈性性質(zhì)。 4．研究了直接建模有限元方法中初始材料域大小及其單元密度這兩個建模參數(shù)對有效模量預(yù)測結(jié)果的影響，為選擇合適的建模參數(shù)以減少計算量且滿足精度要求提供了依據(jù)；在選擇適當?shù)慕?shù)基礎(chǔ)上，研究了組分材料體積分數(shù)對復(fù)合材料彈性力學(xué)性能的影響。 本文提出了一種新的復(fù)合材料有效彈性模量數(shù)值預(yù)測方法，即直接建模有限元方法。研究結(jié)果表明該方法能有效