涂層蜂窩結(jié)構(gòu)和纖維增強復(fù)合材料的均勻化方法有限元模擬.pdf

1、蜂窩材料作為一類重要的多孔材料，由于其具有優(yōu)異的機械力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。但是由于傳統(tǒng)蜂窩材料自身結(jié)構(gòu)的局限性，使得蜂窩材料在應(yīng)用方面有著很大的局限性。為了打破這一局限性，本文將通過在蜂窩結(jié)構(gòu)表面添加涂層來改善傳統(tǒng)蜂窩多孔結(jié)構(gòu)材料的整體性能。然而由兩種或兩種以上的異質(zhì)材料所制成復(fù)合材料的性能不僅取決于各組分的結(jié)構(gòu)和性能，而且在相當(dāng)程度上受到界面性能的影響。由于在研究涂層蜂窩結(jié)構(gòu)時沒有考慮這種界面效應(yīng)，所以本文先探索性的研究了界面

2、性能對纖維增強復(fù)合材料整體宏觀性能的影響。具體研究的內(nèi)容和結(jié)果包括以下幾個方面：
　　(1)本文采用均勻化有限元方法，建立了三維(3D)代表體積單元(RVE)單胞模型，并進(jìn)行了用戶子程序代碼的編寫。
　　(2)分別建立了正方形、三角形、圓形和正六邊形孔型的RVE模型。假定這幾種孔型的孔隙率保持一致，預(yù)測了它們的等效彈性性能參數(shù)。通過對這四種不同孔型結(jié)構(gòu)的蜂窩材料進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)正六邊形孔型的蜂窩結(jié)構(gòu)材料的面內(nèi)剪切性能最優(yōu)。

3、
　　(3)在正六邊形蜂窩多孔結(jié)構(gòu)材料的表面添加涂層，通過均勻化方法成功預(yù)測了其等效彈性性能參數(shù)，并與解析值進(jìn)行對比分析。數(shù)值與解析結(jié)果均表明：基于均勻化有限元模擬所得到的結(jié)果與解析公式所得到的數(shù)值相吻合。隨著涂層厚度的增加，面內(nèi)彈性模量以及軸向彈性模量均隨之增加；當(dāng)涂層厚度達(dá)到某一個數(shù)值時，其面內(nèi)和軸向等效模量會超過實體材料的模量。
　　(4)建立了纖維增強復(fù)合材料的均勻化三維RVE模型，在模型中分別采用了周期性或者均勻化

4、邊界條件。先模擬計算了單向纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(FRCs)的宏觀等效彈性模量并與理論結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。同時引入內(nèi)聚力模型來分析在纖維與基體的不完美粘結(jié)的情況下界面性能對等效彈性常數(shù)和抗拉強度的影響。結(jié)果表明：完美粘結(jié)界面情況下，采用不同的邊界條件所計算的纖維增強陶瓷宏觀等效彈性模量與其理論結(jié)果相一致；與界面強度相比，界面剛度和斷裂能對復(fù)合材料的抗拉強度有顯著影響；復(fù)合材料的縱向抗拉強度幾乎獨立于界面性能，并且隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而急