纖維取向張量封閉格式及纖維增強(qiáng)聚合物力學(xué)性能研究.pdf

1、使用纖維增強(qiáng)制造高性能注塑件，在航空、航天等高科技領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。這類注塑制品是具有明顯細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的多相材料，隨著組分選擇和纖維取向等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，其力學(xué)性能會發(fā)生明顯變化，呈現(xiàn)明顯的各向異性。注塑成型是短纖維增強(qiáng)聚合物成型加工的重要方法之一，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量易于保證等眾多優(yōu)點(diǎn)，能生產(chǎn)各種形狀、尺寸、精度等要求不同的制品。對注塑件中纖維取向分布進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對注塑制品的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，對這類高性能注

2、塑件的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。
　　本論文圍繞纖維增強(qiáng)聚合物注塑成型過程中纖維取向張量封閉格式以及纖維增強(qiáng)聚合物力學(xué)性能預(yù)測，針對纖維取向分布函數(shù)的求解以及纖維取向張量封閉格式的建立兩方面展開了一系列的研究工作。具體內(nèi)容如下:
　　1.為了建立擬合類纖維取向張量封閉格式，需要求解Fokker-Planck方程，從而得到纖維取向概率分布函數(shù)，然后根據(jù)定義計算纖維取向張量。文中采用基于通量守恒的有限體積數(shù)值計算方法，求解Fokk

3、er-Planck方程，通過求解簡單流場、組合流場以及中心澆口圓盤流場，顯示出該數(shù)值求解方法具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。（第二章）
　　2.針對EGO(Efficient Global Optimization)算法在Kriging模型自適應(yīng)迭代過程中出現(xiàn)過早收斂等問題，提出了改進(jìn)的EGO算法并增加更加有效的收斂準(zhǔn)則;根據(jù)工程優(yōu)化問題更加關(guān)注最優(yōu)解這一特點(diǎn)，在Kriging模型更新迭代過程中，優(yōu)先考慮模型的最優(yōu)解。根據(jù)分而治之的思想，提

4、出了分區(qū)域EGO并行優(yōu)化算法，該方法對求解問題自變量的求解域進(jìn)行均分，從而在每個子域進(jìn)行新樣本的求解，可有效提高計算效率。針對多目標(biāo)優(yōu)化的工程問題，提出基于改進(jìn)EGO以及分區(qū)域EGO和NSGA-Ⅱ的多目標(biāo)優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化問題Pareto解集的求解。文中通過一個注塑制品的多目標(biāo)優(yōu)化，表明了上述方法在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的效果。（第三章）
　　3.結(jié)合已有纖維取向張量封閉格式，選取典型的簡單流場，進(jìn)行有限體積法求解，得到纖維取

5、向概率分布函數(shù)，分別以二階取向張量特征值與四階正交取向張量的主軸值為輸入和輸出變量，采用改進(jìn)的全局優(yōu)化算法得到取向張量封閉格式，同時給出取向張量封閉格式精度。通過期望準(zhǔn)則增加相應(yīng)的流場分析，來提高纖維取向張量封閉格式的精度。通過對已有纖維取向封閉格式的結(jié)果對比，顯示出基于EGO封閉格式具有較高的精度。在中心澆口圓盤流場纖維取向預(yù)測時，EGO封閉格式出現(xiàn)了非物理振蕩，通過增加一個流場取向信息，大大提高了預(yù)測精度，進(jìn)一步說明EGO封閉格式對

6、于提高纖維取向精度具有更強(qiáng)的針對性。（第四章）
　　4.針對聚乳酸/埃洛石納米管(PLA/HNTs)復(fù)合材料體系，建立了截斷和不截斷兩種情況下的隨機(jī)分布纖維單胞模型，采用漸近均勻化方法預(yù)測復(fù)合材料的剛度，并分析不同隨機(jī)分布纖維構(gòu)型對預(yù)測結(jié)果的影響。通過和實(shí)驗(yàn)以及其它預(yù)測方法對比，漸近均勻化方法具有更高的計算精度和更高的計算效率。（第五章）
　　5.基于實(shí)驗(yàn)分析，利用漸近均勻化理論，從材料的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建了顆粒增強(qiáng)三相

7、聚合物的多尺度分析計算模型。研究了三相聚合物基復(fù)合材料的有效彈性模量與代表性體積元大小以及體積元兩相顆?？臻g分布的關(guān)系。研究結(jié)果表明隨著體積元尺寸的增加，三相聚合物基復(fù)合材料的有效彈性模量逐漸趨于穩(wěn)定值，適當(dāng)體積元大小的選取，可以減少數(shù)值計算計算量;相同體積元大小，不同的兩相顆粒分布會得出不同的彈性模量預(yù)測結(jié)果。（第五章）
　　本論文工作得到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目“高聚物成型模擬及模具設(shè)計制造中的關(guān)鍵問題研究”中“高聚物成型