復(fù)合材料參數(shù)化隨機單胞模型及應(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)心的熱點與難點研究內(nèi)容。細觀力學(xué)研究宏觀均勻但細觀非均勻的介質(zhì),目的是建立材料細觀結(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,澄清破壞機理,并以此指導(dǎo)材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計。細觀力學(xué)研究復(fù)合材料是近十年固體力學(xué)的研究熱點之一。建立適當(dāng)?shù)募氂^單胞模型是細觀力學(xué)分析的關(guān)鍵,對分析和理解材料細觀結(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,以細觀力學(xué)和均勻化理論為基礎(chǔ),在復(fù)合材料的細觀單胞建模、等效彈性性能計算以及拉壓力學(xué)行為分析方面進行了初步探討,主要工作和結(jié)論如下。
　　1.發(fā)展了一種復(fù)合材料細觀力學(xué)單胞模型的參數(shù)化建模方法。無論是對于簡單周期性復(fù)合材料還是細觀結(jié)構(gòu)隨機分布的復(fù)合材料,無論是形狀簡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)計分布,夾雜間距以及界面

3、層厚度等。對ANSYS進行二次開發(fā),采用APDL語言編制了相應(yīng)的細觀單胞幾何建模和網(wǎng)格劃分程序包,并通過UIDL語言在ANSYS軟件中實現(xiàn)了相應(yīng)模塊的菜單定制,從而通過人機交互界面可快速完成隨機細觀單胞的幾何建模和有限元網(wǎng)格劃分。
　　2.根據(jù)攝動原理,引入小參數(shù)?,詳細推導(dǎo)了非均質(zhì)復(fù)合材料的漸進均勻化過程,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)合材料為例對其等效彈性模量進行了計算,討論了夾雜剛度與體積含量對等效彈性模量的影響。結(jié)果表明,漸進均勻化方法計算得到的復(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、自洽方法計算結(jié)果整體趨勢一致,且計算值處于經(jīng)典界限理論之間。
　　3.應(yīng)用參數(shù)化隨機細觀單胞建模方法,建立了炭黑填充橡膠的細觀單胞模型和混凝土的細觀試件,并對它們進行有限元分析,得到了細觀應(yīng)力場,為分析材料的細觀破壞機制打下了基礎(chǔ)。在

5、炭黑填充橡膠力學(xué)行為的細觀分析中,視填充炭黑粒子為線彈性材料,基體橡膠為黏超彈性材料,模擬計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),但炭黑粒子的隨機分布對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,分別對碎石形和卵石形骨料混凝土試件模型進行了數(shù)值壓縮實驗,得到了第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力

6、的分布,討論了骨料類型對主應(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,說明碎石型骨料混凝土試件的強度相對卵石型骨料混凝土試件低;此外,盡管骨料的隨機分布對試件局部應(yīng)力分布有一定影響,但對試件等效彈性模量的影響較小。
　　本文工作得到國家自然科學(xué)基金(No11172256)、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-0