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基于內(nèi)聚力模型的復合材料拉伸性能細觀有限元分析

字體大�。� - - gqgmzhang   發(fā)表于 16-02-19 18:58     閱讀(72)       分類：

 【摘要】：現(xiàn)如今，無論從航空航天技術和核設備工程到微電子或者結構工程應用，復合材料都發(fā)揮著重要的作用�？紤]到這一現(xiàn)實以及數(shù)值試驗在結構和工業(yè)生產(chǎn)過程設計中的作用越來越大，計算力學研究和發(fā)展方向的最重要的內(nèi)容之一就是要能夠?qū)@些材料進行精確模擬�，F(xiàn)代復合材料計算力學通過不同的科學領域，從實驗材料科學到先進計算技術和應用數(shù)學，遵從許多不同的研究方法�；谟邢拊椒ǖ纳虡I(yè)計算機程序(例如ABAQUS、ANSYS等)現(xiàn)在能夠進行可視化多場、多相和非穩(wěn)態(tài)物理和力學問題的研究，甚至可以使用隨機變量把不確定性引入到計算機模擬之中。本論文基于細觀力學理論，用有限元方法分析了兩種典型復合材料(纖維增強單向復合材料和納米化不銹鋼層合軋壓復合材料)的力學性能與其內(nèi)在組分材料之間的關系，進行了如下幾個方面的研究工作： 1．對纖維增強單向復合材料的橫向SEM圖像進行了數(shù)字化處理，得到了纖維在橫截面內(nèi)的幾何微結構特征屬性,包括面積、離心率、空間分布、方位角等。然后，編寫了方便ABAQUS軟件調(diào)用的Python語言腳本程序。該程序?qū)崿F(xiàn)了兩種纖維隨機分布的RVE模型的生成方法：一種是用于較低體積含量的硬核算法，另一種是用于較高體積含量的RVE模型生成的雙擾動算法。本文利用雙擾動算法生成的RVE模型，對纖維增強單向復合材料進行了橫向剛度分析和極限承載力的分析。 2．在考慮界面相情況下，對纖維增強單向復合材料橫截面內(nèi)單向拉伸時的力學行為進行了數(shù)值模擬，其中，界面相單元采用服從線性應力—分離演化規(guī)律的內(nèi)聚力單元來表示。討論了界面相厚度、模量、泊松比和強度對于復合材料整體橫向性能的影響。研究結果表明：界面相厚度越小，界面相對剛度的影響越弱，而對泊松比ν的影響越大；界面相模量越大，復合材料的等效模量越大；復合材料整體橫向拉伸強度隨著界面相強度的增加而增加。 3．聯(lián)合使用ABAQUS中的子程序USDFLD和UMAT，模擬了單纖維復合材料體系的縱向拉伸損傷過程。其中，用內(nèi)聚力單元來實現(xiàn)纖維與基體界面的脫粘過程。研究發(fā)現(xiàn)：對于此類模擬，退化因子d=0.01是足夠而有效的；各個組分材料的強度對材料的失效都有明顯的影響。 4．通過在有限元網(wǎng)格中間插入內(nèi)聚力單元，建立了納米化不銹鋼層合軋壓結構復合材料的內(nèi)聚有限元模型。分別研究了納米晶層材料和粗晶基體材料的內(nèi)聚強度與能量釋放率對復合材料整體失效應變的影響，總結了拉伸過程中，微裂紋個數(shù)與損傷耗散能的變化規(guī)律。此外，納米晶層體積含量在兩種不同分布形式下，對復合材料整體失效應變的影響也做了初步研究。 綜上所述，本文建立了兩種典型復合材料的有限元模型，研究了這些材料在拉伸載荷下的力學響應，，希望本文的結果能夠為更進一步的研究與復合材料的設計及工程應用提供一定的參考和幫助。

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