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微胶囊自修复体系的数值模拟

作　者: 张赋
导　师: 李旭东
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 数字材料微胶囊自修复材料材料微结构力学性能虚拟失效 ABAQUS二次开发
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文以“数字材料”技术为先导,对微胶囊自修复复合材料的微结构进行表征,以“数值材料”技术为核心,研究自修复体系细观尺度的力学性能及失效行为,达到对材料微结构的“性能导向型”设计和性能预测的目的。材料的微观组织结构对材料的力学性能和失效行为有着直接的影响。在具有材料微观组织结构的代表性体积单元(RVE)上进行计算自修复体系的细观力学响应,通过改变自修复体系RVE的几何特征,用于研究微结构对性能的影响程度。本文旨在研究与建立用于自修复体系微结构仿真,力学性能预测,微裂纹启裂及扩展模拟,裂纹修复及修复强度预测的平台。我们通过对力学试验的模拟,预测其自修复体系性能,根据“材料结构弱点”概念评估微结构内微裂纹的启裂和扩展,推演自修复体系微结构的“虚拟失效行为”,并结合程序设计和对有限元软件ABAQUS的二次开发对平台进行搭建。对于微胶囊自修复复合材料微结构,根据实际测的的几何特征,分布信息,采用球填充算法作为核心部分,通过对ABAQUS的前处理进行二次开发,完成自修复体系RVE的仿真,实现了自动化,参数化,简易高效的几何建模方式。在进行力学性能预测时,我们编写Python脚本实现了：不同自修复RVE结构的网格划分；不同工况,不同分析过程的自动建模；自动提交计算,评估分析结果,并根据分析结果计算力学性能。同时根据材料微结构力学计算的数值解,识别“材料结构弱点”,通过编写外部程序,采用损伤失效模型,研究自修复体系内微裂纹(群)的启裂、扩展,推演微结构“虚拟失效行为”。完成了单向拉伸载荷和热交变载荷的作用下,自修复体系RVE微裂纹的启裂和扩展的模拟。同时利用微裂纹的扩展的结果,根据指定的修复率,将失效部位赋予修复后的材料,重新加入几何模型,实现“虚拟裂纹修复”,并进行修复强度的预测,评估了修复部位材料强度达到原始强度的百分率。最后,根据研究需要,为避免大量繁琐的有限元建模操作过程,我们将研究过程中用到的预测方法,实现方式通过程序设计进行整合,便于在自修复体系模拟平台中进行功能添加。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题来源  10-12
  1.2 研究目的及意义  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-15
  1.4 主要研究内容  15-16
第2章自修复体系微观结构仿真  16-24
  2.1 自修复体系微结构几何特征  16-17
  2.2 自修复体系微结构仿真  17-21
    2.2.1 球填充算法简介  17-20
    2.2.2 自修复体系微结构建模  20-21
  2.3 自修复体系微结构网格技术  21-23
  2.4 自修复体系微结构仿真软件开发  23-24
第3章自修复体系力学性能预测方法  24-41
  3.1 拉伸模量与剪切模量的预测方法  24-27
    3.1.1 拉伸模量预测方法  24-26
    3.1.2 剪切模量预测方法  26-27
  3.2 应力-应变响应  27-31
    3.2.1 体系内各材料的应力-应变响应  27-29
    3.2.2 自修复体系的应力-应变响应  29-31
  3.3 抗拉(压)强度预测  31-32
  3.4 断裂韧性(K_Ⅰ和K_Ⅱ)预测  32-37
    3.4.1 断裂韧性预测思路  33
    3.4.2 Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性预测  33-37
  3.5 冲击韧性(α_k)预测  37-41
    3.5.1 冲击试验原理  37-38
    3.5.2 冲击试验模拟及结果计算  38-41
第4章自修复体系内微裂纹扩展  41-47
  4.1 损伤力学模型的裂纹扩展  41-42
  4.2 单轴拉伸载荷下的微裂纹扩展  42-45
  4.3 热交变载荷下的微裂纹扩展  45-47
第5章自修复体系修复强度预测  47-52
  5.1 预测思路  47
  5.2 自修复体系裂纹修复  47-48
    5.2.1 初始裂纹  47
    5.2.2 裂纹修复  47-48
  5.3 热交变载荷下修复强度预测  48-52
    5.3.1 初始强度预测  48-50
    5.3.2 修复强度预测  50-51
    5.3.3 修复强度百分率  51-52
结论  52-53
参考文献  53-57
致谢  57-58
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  58

微胶囊自修复体系的数值模拟

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