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颗粒增强铜基复合材料力学行为的有限元分析

作　者: 杨杰
导　师: 刘贵立；栗青
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 颗粒增强铜基复合材料有限元法应力-应变裂纹强度因子弹性模量
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

颗粒增强铜基复合材料是近年发展起来的新型复合材料,它具有高导电率、高强度以及良好的导热特性,并且硬度高和耐磨性好。除了可用作为触头材料、集成电路引线框架、点焊电极外,还可做为铸机结晶器材料,是一种具有广泛应用前景的新型材料。本文基于颗粒增强铜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)建立三维颗粒增强铜基复合材料分析模型,考察不同形状、不同体积分数、不同颗粒相位角变化对复合材料界面应力分布的影响。结果表明:圆球颗粒、较高颗粒含量、15°的相位角对颗粒增强铜基复合材料的增强效果较好。这些结果总结了前人的文献报道,拓展了复合材料的力学性能的影响因素。(2)利用ANSYS计算复合材料的裂纹强度因子,并分析裂纹分别位于基体和颗粒时,对应力强度因子的影响;分析体积比、裂纹半径、模量比对强度因子的影响。发现随裂纹在基体中增长,强度因子为线性增加,随裂纹在颗粒中增长,强度因子为非线性增加;强度因子K1随着颗粒体积含量的减小而增大,随着颗粒模量与基体模量的比的增大而增大。这些分析为复合材料的加工与制备提供了一定的理论依据。(3)利用ANSYS建立三维颗粒增强铜基复合材料分析模型,得出应力-应变的关系,算出复合材料的模量,并与Mori-Tanaka方法、微分法、并串联法等计算公式的结果对比,发现计算出来的模量与Mori-Tanaka方法、微分法计算结果比较接近。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 复合材料的简介  11-14
    1.1.1 复合材料的种类和特点  11
    1.1.2 复合材料的分类  11-12
    1.1.3 复合材料的特点  12-13
    1.1.4 复合材料力学与设计  13-14
  1.2 颗粒增强铜基复合材料的研究现状  14-16
    1.2.1 颗粒增强铜基复合材料制备的研究  15
    1.2.2 颗粒增强铜基复合材料界面的影响研究  15-16
    1.2.3 颗粒增强铜基复合材料力学性能的研究  16
  1.3 研究方法  16-17
    1.3.1 方法的选择  16-17
    1.3.2 ANSYS 在复合材料分析中的应用  17
  1.4 本文的主要内容与思路  17-18
  1.5 课题的目的与意义  18-19
    1.5.1 课题的目的  18
    1.5.2 课题的意义  18-19
第二章颗粒增强铜基复合材料界面应力场的分布研究  19-40
  2.1 颗粒形状对铜基复合材料界面应力场的分布影响  19-29
    2.1.1 模型的建立  19
    2.1.2 网格划分  19-21
    2.1.3 材料物理性能参数  21
    2.1.4 边界条件与模型加载  21
    2.1.5 结果分析  21-29
  2.2 颗粒尺寸对铜基复合材料界面应力分布的影响  29-34
    2.2.1 结果分析  29-34
  2.3 颗粒增强体分布对颗粒增强铜基复合材料界面应力场的影响  34-39
    2.3.1 模型的建立  35
    2.3.2 网格划分  35-36
    2.3.3 材料物理性能属性  36
    2.3.4 边界条件  36
    2.3.5 结果分析  36-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章基体或颗粒增强体缺陷对复合材料断裂过程的影响  40-50
  3.1 ANSYS 有限元分析裂纹的技术要求  40
  3.2 含裂纹的颗粒增强铜基复合材料的有限元分析  40-49
    3.2.1 在拉伸荷载下裂纹尖端位于基体的应力分析  41-43
    3.2.2 在拉伸荷载下裂纹尖端位于颗粒的应力分析  43-45
    3.2.3 颗粒体积比、裂纹半径和弹性模量比变化对应力强度因子的影响  45-49
  3.3 本章小结  49-50
第四章颗粒增强铜复合材料弹性模量预测  50-60
  4.1 有限元模型的建立  50-52
    4.1.1 基本假设  50-51
    4.1.2 材料属性及边界条件  51-52
    4.1.3 有限元法的建立  52
  4.2 其他经验公式  52-55
    4.2.1 Mori-Tanaka 方法  52-53
    4.2.2 微分法  53-54
    4.2.3 并串联模型  54-55
  4.3 有限元与其他经验公式的计算结果对比与分析  55-59
    4.3.1 有限元计算结果  55
    4.3.2 Mori-Tanaka 方法计算结果  55-56
    4.3.3 微分法计算结果  56
    4.3.4 串联法计算结果  56
    4.3.5 并联法计算结果  56-57
    4.3.6 各种方法计算结果对比  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章结论与展望  60-62
  5.1 结论  60
  5.2 展望  60-62
参考文献  62-65
在学研究成果  65-66
致谢  66

颗粒增强铜基复合材料力学行为的有限元分析

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