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碳纳米管增强镁基复合材料力学性能有限元分析

作　者: 杨忠华
导　师: 刘贵立；栗青
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 碳纳米管 镁基复合材料 有限元法 裂纹 细观力学
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


镁基复合材料是密度最小的金属基复合材料之一,具有很高的比强度、比刚度,自二十世纪八十年代以来,成为金属基复合材料领域的研究热点之一,己开始应用于航空、汽车以及军工领域。碳纳米管(CNT)具有优异的力学性能,其刚度是钢6倍,抗拉强度是钢的100倍,而密度仅是钢的1/6,承受很大的弯曲变形和扭转变形仍能保持弹性。因此,研究碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能具有十分重要的现实意义和巨大的经济价值。本文基于碳纳米管增强镁基复合材料的有限元模型,开展了若干关键力学问题研究,主要包括以下内容：(1)建立含有界面层的碳纳米管增强镁基复合材料分析模型,考察界面强弱、增强体长径比、界面厚度等参数及碳纳米管半球形端帽对复合材料各部分应力分布的影响。研究发现,较强的弱界面、较高的长径比、半球形端帽对改善复合材料的力学性能有益。这些结果拓展了前人的文献报道,较完整地分析了各参数对复合材料应力分布的影响。(2)利用空间轴对称关系将含有裂纹的碳纳米管增强镁基复合材料的三维实体简化为二维分析模型,求解裂纹尖端应力场大小、影响范围及应力集中程度等。研究发现,裂纹尖端发生应力集中现象,但影响范围较小；随着裂纹的开裂,应力强度因子的大小和变化速率不断提高。这些分析为复合材料的加工与制备工艺的完善提供理论依据。(3)将Material Studio软件计算得到的材料各向异性参数与细观分析模型相结合,探讨复合材料的细观力学行为。通过复合材料的应力-应变分析,证明材料参数计算的准确性,分析方法的可行性。并进一步分析长径比对碳纳米管增强镁基复合材料细观力学行为的影响,为研究复合材料的微观力学性能奠定了基础。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 国内外研究概况  11-16
    1.1.1 纳米材料研究背景  11-12
    1.1.2 碳纳米管的性能与应用前景  12-13
    1.1.3 碳纳米管增强复合材料的力学性能  13-14
    1.1.4 镁基复合材料的力学性能  14-16
  1.2 研究方法  16-18
    1.2.1 方法的选择  16-17
    1.2.2 ANSYS在复合材料分析中的应用  17-18
  1.3 本文研究的主要内容及技术路线  18-19
  1.4 课题的研究目的、意义  19-21
    1.4.1 课题的目的  19-20
    1.4.2 课题的意义  20-21
第二章 碳纳米管增强镁基复合材料应力分布的研究  21-40
  2.1 分析模型与材料参数  21-23
    2.1.1 分析模型  21-23
    2.1.2 材料参数  23
  2.2 界面强弱对复合材料应力分布的影响  23-29
    2.2.1 界面强弱对增强体应力分布的影响  24-25
    2.2.2 界面强弱对界面层应力分布的影响  25-28
    2.2.3 界面强弱对基体应力分布的影响  28-29
  2.3 长径比对复合材料应力分布的影响  29-32
    2.3.1 长径比对增强体应力分布的影响  30-31
    2.3.2 长径比对基体应力分布的影响  31-32
  2.4 长径比对复合材料整体刚度的影响  32-34
    2.4.1 复合材料的均质化  32
    2.4.2 长径比对复合材料整体弹性模量的影响  32-33
    2.4.3 长径比临界值和弹性模量临界值的求解  33-34
  2.5 界面厚度对复合材料应力分布的影响  34-37
    2.5.1 界面厚度对增强体应力分布的影响  35
    2.5.2 界面厚度对界面应力分布的影响  35-36
    2.5.3 界面厚度对基体应力分布的影响  36-37
  2.6 端帽对复合材料应力分布的影响  37-38
  2.7 本章小结  38-40
第三章 含裂纹的碳纳米管增强镁基复合材料有限元分析  40-52
  3.1 ANSYS在含有裂纹的纤维复合材料中的应用  40-43
    3.1.1 纤维复合材料的应力强度因子  41-43
    3.1.2 技术难点  43
  3.2 含裂纹的碳纳米管增强镁基复合材料分析模型  43-45
    3.2.1 分析模型  44-45
    3.2.2 材料参数  45
  3.3 裂纹对复合材料应力场分布的影响  45-51
    3.3.1 裂纹尖端附近应力场的集中程度  45-47
    3.3.2 裂纹的影响范围  47-48
    3.3.3 裂纹长度对应力场强弱的影响  48-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章 碳纳米管增强镁基复合材料细观力学有限元分析  52-62
  4.1 分析模型与材料参数  52-55
    4.1.1 分析模型  52-54
    4.1.2 材料参数  54-55
  4.2 碳纳米管增强镁基复合材料应力-应变的分布  55-57
  4.3 碳纳米管长径比对复合材料应力-应变分布的影响  57-60
    4.3.1 长径比对复合材料应力分布的影响  58
    4.3.2 长径比对复合材料应变分布的影响  58-60
  4.4 本章小结  60-62
第五章 结论  62-63
参考文献  63-66
在学研究成果  66-67
致谢  67

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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 > 非金属复合材料
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