顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料等效模量及黏彈性能的均勻化方法數(shù)值模擬.pdf

1、塊體非晶合金由于其優(yōu)異的力學(xué)和物理性能受到了工程界廣泛關(guān)注,是一種極具應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)或功能材料,但其在室溫單軸拉伸或壓縮情況下沒有顯現(xiàn)塑性變形而突然發(fā)生失效，正因?yàn)檫@種特性大大限制了塊體非晶合金的研制和應(yīng)用。為了改善其塑性或韌性性能，人們通過在塊體非晶合金中加入增強(qiáng)相來改善塊體非晶合金的塑性或韌性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴假定顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料具有均質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)周期性分布的細(xì)觀結(jié)構(gòu)?；陬w粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料組

2、分材料性能及結(jié)構(gòu)特征，利用雙尺度漸近展開均勻化方法對(duì)顆粒增強(qiáng)非晶合金周期性復(fù)合材料的有效性能進(jìn)行了研究。從小參數(shù)ε的位移展開形式出發(fā)，應(yīng)用了線彈性問題的控制方程，采用漸進(jìn)展開的形式得到一系列攝動(dòng)控制方程，引入均勻化系數(shù)和特征函數(shù)得到了漸進(jìn)均勻化方法的基本理論公式；基于均勻化方程中特征函數(shù)的控制方程，利用最小位能原理推導(dǎo)了求解特征函數(shù)的有限元列式，進(jìn)而推導(dǎo)出求解特征函數(shù)的邊界力方法；在有限元軟件中，利用其單元節(jié)點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)了求解特征函數(shù)邊界

3、力的方法，進(jìn)而得到顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料有效彈性模量的有限元格式。⑵利用均勻化方法，并結(jié)合有限元法，數(shù)值模擬了多種顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料的宏觀等效彈性性能，并得到一些有意義的結(jié)果：與分析復(fù)合材料彈性模量的Mori-Tanaka方法、Halpin-Tsai公式法及Hashin-Shrikman模型相比，均勻化理論能給出在數(shù)學(xué)上更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算方法，而且可以給出一個(gè)泊松比的預(yù)測(cè)值；基于有限元的漸進(jìn)均勻化方法所預(yù)測(cè)的顆粒增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料有

4、效彈性模量的值介于Voigt等應(yīng)力上限和Reuss等應(yīng)變下限之間，不同于纖維增強(qiáng)非晶合金復(fù)合材料(纖維增強(qiáng)所預(yù)測(cè)值接近于于Voigt上限)；在Cu顆粒增強(qiáng)Cu50Zr45Al5非晶合金復(fù)合材料中，因增強(qiáng)相與基體存在相同的元素使之在界面處發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值小于均勻化計(jì)算值1％-3%，但泊松比的誤差僅僅有1%；(4)對(duì)比金剛石顆粒增強(qiáng)Zr65Al10Ni10Cu15非晶合金復(fù)合材料模量的實(shí)驗(yàn)和模擬值，發(fā)現(xiàn)均勻化理論這種方法可以很好地預(yù)測(cè)其

5、復(fù)合材料的有效模量；(5)從泊松比和復(fù)合材料的塑性應(yīng)變關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增強(qiáng)相顆粒體積分?jǐn)?shù)<10%，泊松比與材料塑性應(yīng)變呈反比趨勢(shì)變化，在增強(qiáng)相體積增大到一定程度時(shí)趨勢(shì)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，塑性應(yīng)變會(huì)急劇下降。⑶基于均勻化理論建立了計(jì)算具有微觀周期性結(jié)構(gòu)的Cu或W顆粒增強(qiáng)鋯基非晶合金復(fù)合材料的黏彈性力學(xué)模型。結(jié)果表明，將均勻化理論與有限元方法相結(jié)合能有效地預(yù)測(cè)具有微觀周期性結(jié)構(gòu)的Cu或W顆粒增強(qiáng)鋯基非晶合金復(fù)合材料的黏彈性能，進(jìn)而有效地優(yōu)化該類復(fù)合