發(fā)布時(shí)間：2021-11-08 08:28

　　越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體空間構(gòu)型分布有望成為金屬基復(fù)合材料強(qiáng)韌性倒置問(wèn)題的有效解決辦法。然而,構(gòu)型設(shè)計(jì)要素種類繁多,除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素外,還包括增強(qiáng)體分布特征等結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此,僅靠傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段已無(wú)法滿足復(fù)合材料構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究需求,借助有限元模擬探索各構(gòu)型要素對(duì)復(fù)合材料性能的影響規(guī)律可作為試驗(yàn)研究的前提和有效補(bǔ)充�；谌S幾何模型的有限元模擬技術(shù),將增強(qiáng)體分布特征引入復(fù)合材料三維幾何模型中,再引入各組分的物理及力學(xué)性能,則能夠?qū)?gòu)型化復(fù)合材料的變形與斷裂行為進(jìn)行模擬,并預(yù)測(cè)其力學(xué)性能。首先回顧了數(shù)值模擬顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的幾何和數(shù)值模型構(gòu)建方法,然后對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)型化復(fù)合材料有限元模擬工作的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹,最后對(duì)構(gòu)型化復(fù)合材料有限元模擬工作的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)材料進(jìn)展. 2020,39(06)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：13 頁(yè)

【部分圖文】：

強(qiáng)界面結(jié)合形貌特征與復(fù)合材料界面模型建立:(a)近界面區(qū)基體損傷[43];(b)厚度為50 nm的界面實(shí)體單元[10];(c)零厚度內(nèi)聚力單元界面

在構(gòu)型設(shè)計(jì)中，層狀構(gòu)型屬于較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)類型，其幾何模型也易于構(gòu)建[53](如圖6a和6b)。層內(nèi)可以包含不同種類、尺寸、含量和取向的顆粒、晶須或長(zhǎng)纖維，通常層狀復(fù)合材料由兩種層片材料堆疊而成，堆疊順序?yàn)锳BAB(如圖6a)。在自然界中，有殼類軟體動(dòng)物憑借堅(jiān)硬、抗沖擊性能良好的外殼抵御捕食者。其中，部分殼體即為層狀結(jié)構(gòu)，如脈紅螺殼和文蛤殼分別為具有ABCABC和ACBACB堆疊順序的層狀復(fù)合材料[54]。顯然，將傳統(tǒng)復(fù)合材料建模技術(shù)應(yīng)用于層片的建模，再將層片以不同順序堆疊，是可行的層狀復(fù)合材料建模方法。該方法也可應(yīng)用于梯度層狀材料的性能預(yù)測(cè)。此外，由于環(huán)狀構(gòu)型與層狀構(gòu)型相近[55](如圖6c)，其復(fù)合材料的幾何模型也可以通過(guò)類似方法構(gòu)建，只需要將層片換為圓筒即可。Guo等[56]建立了一種鏈條結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料幾何模型，其中增強(qiáng)體顆粒排列成若干根長(zhǎng)纖維狀(如圖6d和6e)。通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)控增強(qiáng)體的局部體積分?jǐn)?shù)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠給予Si Cp/Al棒狀構(gòu)型復(fù)合材料(如圖6f)[57]模型構(gòu)建工作一些啟發(fā)。

近些年，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料體系的三維建模技術(shù)取得了重要的技術(shù)突破。上海交通大學(xué)蘇益士等[8]對(duì)大量Si C顆粒進(jìn)行SEM觀察，并采用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)顆粒進(jìn)行了幾何學(xué)分析，提出了一種新穎的顆粒建模方法:將三角形/凸四邊形拉伸為三棱柱/六面體，再對(duì)實(shí)體進(jìn)行棱角切割形成二十面體/二十六面體，如圖2a所示。圖2b和2c對(duì)比了Si C顆粒的SEM形貌觀察結(jié)果和基于幾何信息統(tǒng)計(jì)的理想顆粒幾何模型[8]，可以看出，Si C顆粒形狀基本相同。結(jié)合粒度分析儀統(tǒng)計(jì)的Si C顆粒幾何信息，能夠建立出結(jié)構(gòu)特征更加真實(shí)的復(fù)合材料三維幾何模型[9](圖2d)。圖2 SiC顆粒和復(fù)合材料幾何模型:(a)顆粒建模流程[8],(b,c)顆粒形貌與模型對(duì)比[8],(d)SiCp/Al均勻復(fù)合材料模型[9]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Ballistic performance of tungsten particle/metallic glass matrix composite long rod[J]. Ji-cheng Li,Xiao-wei Chen,Feng-lei Huang.  Defence Technology. 2019(02)
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[3]基于各向異性GTN模型的鋁合金損傷參數(shù)確定[J]. 肖晉,胡玉梅,金曉清,陳敏治,周迎娥,邵金華.  機(jī)械強(qiáng)度. 2018(05)
[4]微納疊層金屬?gòu)?fù)合材料的斷裂性能研究[J]. 劉志穎,郭強(qiáng),張荻.  中國(guó)材料進(jìn)展. 2018(02)
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[6]金屬材料的構(gòu)型復(fù)合化[J]. 郭強(qiáng),李志強(qiáng),趙蕾,李贊,馮思文,張荻.  中國(guó)材料進(jìn)展. 2016(09)
[7]應(yīng)變梯度理論的新進(jìn)展（二）——基于細(xì)觀機(jī)制的MSG應(yīng)變梯度塑性理論[J]. 黃克智,邱信明,姜漢卿.  機(jī)械強(qiáng)度. 1999(03)
[8]顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備及應(yīng)用[J]. 桂滿昌,王殿斌,張洪,顏鳴皋,李昊,周彼德.  材料導(dǎo)報(bào). 1996(03)

博士論文
[1]顆粒尺寸對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料性能的影響規(guī)律及其數(shù)值模擬[D]. 晏義伍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2007

碩士論文
[1]Al-B4C復(fù)合材料仿生輕質(zhì)、高強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備研究[D]. 魏子寬.吉林大學(xué) 2018



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