復(fù)合材料參數(shù)化隨機(jī)單胞模型及應(yīng)用.pdf

1、復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系一直是力學(xué)與材料學(xué)研究人員共同關(guān)心的熱點(diǎn)與難點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。細(xì)觀力學(xué)研究宏觀均勻但細(xì)觀非均勻的介質(zhì),目的是建立材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與非均質(zhì)材料宏觀等效性能之間的定量關(guān)系,澄清破壞機(jī)理,并以此指導(dǎo)材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。細(xì)觀力學(xué)研究復(fù)合材料是近十年固體力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。建立適當(dāng)?shù)募?xì)觀單胞模型是細(xì)觀力學(xué)分析的關(guān)鍵,對(duì)分析和理解材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的關(guān)系,具有十分重要的意義。
　　本文以有限元軟件A

2、NSYS為平臺(tái),以細(xì)觀力學(xué)和均勻化理論為基礎(chǔ),在復(fù)合材料的細(xì)觀單胞建模、等效彈性性能計(jì)算以及拉壓力學(xué)行為分析方面進(jìn)行了初步探討,主要工作和結(jié)論如下。
　　1.發(fā)展了一種復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)單胞模型的參數(shù)化建模方法。無(wú)論是對(duì)于簡(jiǎn)單周期性復(fù)合材料還是細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布的復(fù)合材料,無(wú)論是形狀簡(jiǎn)單的夾雜還是形狀復(fù)雜的夾雜,該方法都能較好地建立相應(yīng)的細(xì)觀單胞模型?？烧{(diào)模型參數(shù)包括單胞尺寸、夾雜含量、夾雜形狀、夾雜尺寸及其統(tǒng)計(jì)分布,夾雜間距以及界面

3、層厚度等。對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),采用APDL語(yǔ)言編制了相應(yīng)的細(xì)觀單胞幾何建模和網(wǎng)格劃分程序包,并通過(guò)UIDL語(yǔ)言在ANSYS軟件中實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)模塊的菜單定制,從而通過(guò)人機(jī)交互界面可快速完成隨機(jī)細(xì)觀單胞的幾何建模和有限元網(wǎng)格劃分。
　　2.根據(jù)攝動(dòng)原理,引入小參數(shù)?,詳細(xì)推導(dǎo)了非均質(zhì)復(fù)合材料的漸進(jìn)均勻化過(guò)程,導(dǎo)出了基于均勻化的材料等效彈性模量的三維有限元列式,據(jù)此用 APDL編制了計(jì)算復(fù)合材料等效彈性模量的三維均勻化后處理程序,并

4、以橢球夾雜復(fù)合材料為例對(duì)其等效彈性模量進(jìn)行了計(jì)算,討論了夾雜剛度與體積含量對(duì)等效彈性模量的影響。結(jié)果表明,漸進(jìn)均勻化方法計(jì)算得到的復(fù)合材料等效彈性模量隨夾雜含量的變化規(guī)律與Mori–Tanaka方法、自洽方法計(jì)算結(jié)果整體趨勢(shì)一致,且計(jì)算值處于經(jīng)典界限理論之間。
　　3.應(yīng)用參數(shù)化隨機(jī)細(xì)觀單胞建模方法,建立了炭黑填充橡膠的細(xì)觀單胞模型和混凝土的細(xì)觀試件,并對(duì)它們進(jìn)行有限元分析,得到了細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng),為分析材料的細(xì)觀破壞機(jī)制打下了基礎(chǔ)。在

5、炭黑填充橡膠力學(xué)行為的細(xì)觀分析中,視填充炭黑粒子為線(xiàn)彈性材料,基體橡膠為黏超彈性材料,模擬計(jì)算了材料的拉伸力學(xué)行為和循環(huán)變形行為,討論了炭黑含量和分布的影響,結(jié)果表明,炭黑粒子的加入提高了橡膠的剛度,放大了應(yīng)力-應(yīng)變滯后響應(yīng),但炭黑粒子的隨機(jī)分布對(duì)填充橡膠的宏觀力學(xué)行為影響不大。將混凝土看成是由骨料、砂漿以及二者間的黏結(jié)界面所組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料,分別對(duì)碎石形和卵石形骨料混凝土試件模型進(jìn)行了數(shù)值壓縮實(shí)驗(yàn),得到了第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力

6、的分布,討論了骨料類(lèi)型對(duì)主應(yīng)力的影響,也得到了混凝土試件的彈性模量隨骨料含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明,在同等變形程度下,碎石型骨料混凝土試件的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力都比卵石型骨料混凝土試件高,說(shuō)明碎石型骨料混凝土試件的強(qiáng)度相對(duì)卵石型骨料混凝土試件低;此外,盡管骨料的隨機(jī)分布對(duì)試件局部應(yīng)力分布有一定影響,但對(duì)試件等效彈性模量的影響較小。
　　本文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(No11172256)、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-0