基于VCFEM的顆粒增強高聚物宏細觀雙尺度模擬.pdf

1、復合材料由于具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的性能，因而在航天、汽車和國防等工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。為了更好地分析、設(shè)計和優(yōu)化復合材料，需要引入多尺度計算模型來考察細觀結(jié)構(gòu)對宏觀力學性能的影響。均勻化方法是材料性能多尺度分析的重要手段，它可以把細觀尺度和宏觀尺度有機結(jié)合起來，從而得到宏觀尺度上的有效性能參數(shù)以及細觀尺度上的應(yīng)力和應(yīng)變場。
　　 但傳統(tǒng)的均勻化方法大都采用基于周期性假設(shè)的簡單單胞模型，而實際復合材料宏觀結(jié)構(gòu)上不同的點可能

2、具有不同的微結(jié)構(gòu)形態(tài)，為此需要尋求更為精確的細觀力學模型。VCFEM模型能夠準確地描述復合材料微結(jié)構(gòu)的大小、形狀以及空間分布的隨機性，可以構(gòu)造出一個任意形狀的基元來作為宏觀結(jié)構(gòu)不同點處微結(jié)構(gòu)特征的代表性材料單元。
　　 論文將Voronoi元胞有限元法和漸近均勻化方法結(jié)合起來，從宏觀和細觀兩個尺度分析研究顆粒增強高聚物的有效力學性能。在細觀尺度，利用Voronoi基元來表征細觀結(jié)構(gòu)，同時基于余能泛函和漸近均勻化方法，采用雜交應(yīng)力

3、單元形成了有限元計算列式，建立了等效彈性常數(shù)和細觀應(yīng)力場的計算模型。在宏觀尺度，基于細觀計算所得的等效彈性常數(shù)，利用商業(yè)有限元軟件ANSYS模擬了宏觀應(yīng)力場的分布情況。
　　 在VisualC++平臺上編寫了基于VCFEM的細觀均勻化程序分析模塊，該模塊采用7系數(shù)應(yīng)力函數(shù)來表征細觀應(yīng)力場。我們利用該程序計算了體積分數(shù)為10％的二氧化硅顆粒增強環(huán)氧樹脂復合材料的等效彈性常數(shù)，其計算結(jié)果與參考文獻基本吻合。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的均勻化方