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基于周期性边界条件的颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的数值模拟

作　者: 焦文文
导　师: 康国政
学　校: 西南交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 颗粒增强金属基复合材料 棘轮行为 随机分布 统计平均 周期性边界条件
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


材料在非对称应力循环加载时,由于平均应力的存在,导致塑性应变沿平均应力方向积累,这种应变积累称为棘轮应变或棘轮效应(ratcheting)。由于复合材料内部结构的复杂性,对其棘轮效应进行的研究成为了难点与热点,并出现了不少实验及理论方面的研究成果。近年来,得益于计算机的迅猛发展,将有限元软件应用到对复合材料棘轮效应的数值模拟研究中,不仅大大提高了计算效率,而且加快了实验及理论的研究进度。本文采用3D弹塑性有限元模型对SiCp/6061Al复合材料的棘轮行为进行研究：(1)借助已有循环本构关系的有限元实现,采用随机序列吸附(RSA)和统计平均方法,建立3-D多颗粒单胞模型对SiC颗粒增强6061A1合金复合材料的单拉行为、单轴棘轮行为进行有限元分析,结果表明：单个数值模拟结果往往具有较大分散性,统计平均方法降低了模拟结果分散性,使所得规律具有较高的可信性。(2)通过Hypermesh软件辅助建立可施加周期性边界条件的三维有限元单胞模型。分别采用周期性边界条件与简化边界条件对SiC颗粒增强6061Al合金复合材料的单轴循环变形行为进行模拟,结果表明：两种边界条件的计算结果有较大的差别；与试验结果相比,周期性边界条件比简化边界条件更加合理。(3)使用施加了周期性边界条件的三维有限元单胞模型,模拟SiC颗粒增强6061A1合金复合材料在单轴加载条件下的单拉及棘轮行为,讨论增强颗粒的尺寸颗粒形状以及分布方式等微结构效应对复合材料力学性能的影响。发现：颗粒数目越多、尺寸越小,复合材料抵抗变形的能力越强；颗粒的边界越尖锐,对复合材料的增强效果越好；颗粒堆积分布,复合材料的流动应力越高。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 复合材料棘轮效应的研究意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 复合材料变形行为的实验研究现状  12-14
    1.2.2 复合材料变形行为的理论研究现状  14-15
    1.2.3 复合材料变形行为的有限元分析研究现状  15-17
  1.3 现有研究的不足  17-18
  1.4 本论文的主要工作  18-19
第2章 颗粒随机分布理论以及统计平均化理论  19-29
  2.1 颗粒随机分布理论  19-23
    2.1.1 颗粒随机分布理论的意义  19-20
    2.1.2 颗粒随机分布理论的数值实现  20-23
  2.2 统计平均原理  23-24
  2.3 颗粒随机分布理论与统计平均原理的应用  24-28
    2.3.1 有限元模型及材料参数  24
    2.3.2 统计平均理论的模拟结果和讨论  24-25
    2.3.3 颗粒分布方式及其随机特性的影响  25-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 周期性边界条件  29-43
  3.1 周期性边界条件的意义  29-32
  3.2 周期性网格的建立  32-36
    3.2.1 Hypermesh软件介绍  32-33
    3.2.2 Hypermesh软件周期性网格的建立过程  33-34
    3.2.3 节点耦合方程的建立  34-36
  3.3 周期性边界条件在复合材料数值模拟中的应用  36-40
    3.3.1 有限元模型及加载条件  36
    3.3.2 结果分析与讨论  36-40
  3.4 单元类型对复合材料棘轮行为的影响  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 颗粒数目对复合材料棘轮行为的影响  43-50
  4.1 有限元模型及参数  44-45
    4.1.1 有限元模型  44-45
    4.1.2 材料参数  45
  4.2 模拟结果的分析与讨论  45-48
  4.3 本章小结  48-50
第5章 颗粒形状对复合材料棘轮行为的影响  50-56
  5.1 有限元模型及材料参数  50-51
  5.2 模拟结果及讨论  51-55
    5.2.1 颗粒形状对复合材料力学性能的影响  52-55
    5.2.2 分析与讨论  55
  5.3 本章小结  55-56
结论  56-58
致谢  58-59
参考文献  59-68
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  68

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属复合材料
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