非均質(zhì)材料磨損和彈塑性的多尺度建模和數(shù)值模擬.pdf

1、隨著仿生學(xué)的蓬勃發(fā)展和3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，顆粒和纖維增強非均質(zhì)材料所具有的優(yōu)異力學(xué)和摩擦學(xué)特性在多個尺度上得到表征，并受到力學(xué)、材料學(xué)和摩擦學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的進一步關(guān)注?，F(xiàn)有研究多集中在單一尺度定性描述材料的磨損特性，難以獲取宏觀尺度磨損性能與微觀幾何結(jié)構(gòu)和組分材料特性的相互關(guān)系。為了優(yōu)化具有跨尺度結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料的摩擦學(xué)設(shè)計，本論文第一部分擬采用細觀力學(xué)方法對復(fù)合材料的磨損特性進行跨尺度建模和數(shù)值模擬，目的是建立復(fù)合材料宏觀磨損系數(shù)與微

2、觀幾何特征和材料特性的定量描述，分析復(fù)合材料各組分的彈性、粘彈性及彈塑性對宏觀磨損性能的影響。此外，由于部分復(fù)合材料基體的塑性行為通常與靜水壓力相關(guān)，如高分子和巖土材料，論文第二部分探討了顆粒和纖維增強復(fù)合材料的基體服從與靜水壓力相關(guān)的屈服條件時，其彈塑性行為對材料宏觀有效性能的影響規(guī)律。論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　(1)運用細觀力學(xué)方法估算纖維增強復(fù)合材料的宏觀磨損系數(shù):在均勻邊界條件下，建立纖維增強復(fù)合材料宏觀有效磨損系數(shù)與各

3、組分材料特性和磨損系數(shù)的定量關(guān)系;闡明復(fù)合材料組分的彈性、粘彈性和彈塑性特征對其宏觀磨損的影響;
　　(2)建立模擬纖維復(fù)合材料的磨損過程的有限元模型:基于包含纖維復(fù)合材料幾何特征的有限元模型，對磨損過程中的接觸面進行受力分析和磨損計算，提取滑動過程中纖維復(fù)合材料的宏觀和各組分的磨損系數(shù)的變化規(guī)律，通過更改表面單元節(jié)點坐標(biāo)的方式獲得磨損形貌的漸變特征;
　　(3)考慮基體的塑性行為與靜水壓力相關(guān)的情況，擴展復(fù)合材料彈塑性行為

4、的均勻化方法:使用Drucker-Prager及Mohr-Coulomb兩種屈服條件及非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則，分析顆粒和纖維復(fù)合材料的等效彈塑性行為。
　　主要研究結(jié)論如下:
　　(1)在各組分材料磨損特性符合Archard磨損定律的情況下，纖維復(fù)合材料的宏觀磨損系數(shù)決定于兩相材料的磨損特性和應(yīng)力分布;通過細觀力學(xué)模型，可獲得均勻應(yīng)力、應(yīng)變、摩擦力和線磨損率條件下纖維復(fù)合材料的有效磨損系數(shù);其中均勻應(yīng)變邊界情況所得的宏觀磨損系數(shù)具有

5、較廣泛的適用范圍;
　　(2)當(dāng)材料本構(gòu)關(guān)系為線性（彈性和粘彈性），纖維復(fù)合材料的宏觀磨損系數(shù)僅與組分的材料特性和磨損系數(shù)相關(guān)，基體的粘彈性使得宏觀磨損有減小的趨勢;當(dāng)考慮基體材料服從彈塑性本構(gòu)關(guān)系的情況下，宏觀磨損系數(shù)與邊界條件相關(guān)，且隨著塑性區(qū)域的擴展而增大;
　　(3)數(shù)值結(jié)果中獲取的有效磨損系數(shù)與均勻應(yīng)變條件下的理論預(yù)估值具有較好的一致性;隨著磨損循環(huán)的增加，具有較小磨損系數(shù)的纖維相承載比例增大，使得宏觀有效磨損系數(shù)

6、相比于“磨合期”較小;與垂直纖維相比，傾斜纖維使得宏觀磨損系數(shù)與滑動方向和摩擦系數(shù)相關(guān);
　　(4)Mohr-Coulomb屈服條件的靜水壓力系數(shù)影響顆粒增強復(fù)合材料在各項同性加載下的彈塑性行為，非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則參數(shù)對多孔復(fù)合材料，即彈性顆粒為空穴情況下彈塑性行為的影響顯著;對于基體服從Drucker-Prager屈服條件和非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)的纖維增強復(fù)合材料，假設(shè)基體彈性和塑性不可壓縮的情況下，其有效彈塑性特性的解析解存在。