颗粒增强复合材料随机分布模型的数值模拟

1、 10期单豪良,等:颗粒增强复合材料随机分布模型的数值模拟2725实验测量是否一致,做如下的假设:(a颗粒和基体只发生线弹性小变形;(b颗粒、基体为各向同性材料,由于颗粒随机分布,在宏观意义上,复合材料为各向同性材料;(c颗粒为均匀球体,颗粒直径符合正态分布;(d颗粒之间无相互挤压,在给定的载荷范围内,各相材料不发生破坏;(e颗粒和基体之间粘合完好,不产生界面脱粘。现以铝基碳化硅颗粒增强复合材料为研究对象,6066铝和夹杂物碳化硅的材料性能如表1所示。数值分析采用通用有限元软件包ANSYS。表1材料性能2边界条件图1颗粒随机分布模型在单元胞体承受外载作用,胞体的各个表面都要在各自的法线方向上保

2、持变形一致,也即一个界面上的所有节点允许有位移,但每个节点的位移应该是相同的。这样,由胞体重复叠加的复合材料在变形上才会连续。具体量化要求如下:z=0,“3=0;z=口,盯=100MPa,拈,=以;菇=0,菇=口,“l与彳无关;Y=0,Y=口,u2与z无关。即在上表面施加100MPa的应力,%为单胞上表面的位移量,M。、“:、,分别为单元胞体在菇、几石三个方向的位移。3应力场分布对胞体进行切片以研究其内部的应力场分布,图2是边长为100la,m颗粒体积分数15%的单元胞体内部的VO/1Mises应力分布。图3是颗粒增强复合材料拉伸实验远离断口区域的金相显微镜照片。从图2可以看出,试件受到竖直方

3、向的拉力,在基体中,颗粒的上下边缘的基体中,应力较大,而在颗粒水平方向上应力较小;在增强颗粒中,增强项中的应力较基体中的应力要大得多,颗粒中应力最大处往往处于颗粒的边缘;当颗粒密度较小,颗粒间的距离较大,颗粒对基体的影响较小,应力主要集中在颗粒内部边缘,对于脆性颗粒而言,其裂纹区域即为高应力区域,显微照片下的裂纹区域图3(a (b与模拟的高应力区域图2(a(b中的红色区域形貌一致。当颗粒间距离较小,颗粒间基体的黄色区域显示,颗粒与基体之间有应力均化的趋势,基体的应力与颗粒内部的应力几乎相等,由于基体的强度比颗粒的强度要低,基体首先屈服,微裂纹萌生并扩展。特别是在循环荷载作用下,图3(c(d中基

4、体中的裂纹沿着高应力区域方向扩展,裂纹的形状与图2(c(d处基体中黄色高应力区域的形状一致。以往文献中多数认为在颗粒增强复合材料中,颗粒强度远远高于基体,复合材料的破坏主要发生在基体中。但实验测试,以及数值模拟分析显示,复合材料微裂纹萌生的位置,由增强颗粒和基体的相对强度决定。增强颗粒的强度往往高于基体,但在受拉状态下,颗粒内部的应力也高于基体,因此,颗粒与基体都存在破坏的可能。图图3 (a(b中的裂纹与图2中的颗粒内部的高应力区域形状及位置相同。另外,当颗粒之间的距离比较接近,微裂纹产生在基体区域,如图3(c(d所示。4弹性模量 Ju等人采用整体体积平均方法推导出颗粒增2726科学技术与工程

5、9卷图2100且m胞体等距切片应力分布图强复合材料刚度系数f5。樊建平等人也做了单元胞体的数值模拟【6J。现运用颗粒随机分布胞体模型对颗粒增强复合材料的弹性模量进行模拟。并与实验结果"1进行比较。从图5和文献5中町以得到以下结果:(1利用颗粒随机分布模型模拟的弹性模量与实验测试的复合材料弹性模量偏差很小。所有弹性模量的模拟值与实验测试得到的弹性模量各个数据点的平均偏差为2.16%。对于小于5%的误差,即可认为,计算模拟的弹性模量与实验测试弹性模量吻合比较好;(2随着颗粒体积分数的增加,单颗粒夹杂胞体单元对复合材料弹性模量的模拟与实验测试结果的偏差越来越大.颗粒体积分数较小时,颗粒问的

6、间距较大,颗粒间相互影响很小,颗粒间的相互影响可以忽略,所以颗粒体积分数小时,单颗粒模型和多颗粒随机模型与实验测试得到的弹性模量相差无几;颗粒体积分数较大,颗粒间的间距小,颗粒与颗粒的相互作用大,颗粒模型没有考虑颗粒问的相互干涉机制,使得在颗粒体积分数较大时,单颗粒模型模拟的弹性模量较实验测试值要小得多;颗粒体积分数越大,单颗粒模型模拟的弹性模量与实验测试值的偏离越大;(3颗粒数量的增多能有效提高材料的弹性模量。与单颗粒单元胞体模型相比,既考虑了颗粒随机分布对材料的影响,又考虑了相邻颗粒之间的相互作用,计算模型比较符合实际情况,这是随机颗粒模 型模拟结果优于单颗粒模型的原因。10期单豪良,等:

7、颗粒增强复合材料随机分布模型的数值模拟2727 存在颗粒界面脱粘等情况。颗粒随机分布模型能较好地反应颗粒分布的随机性,也能充分考虑颗粒间的相互作用,反应颗粒增强复合材料的微观结构图3远离拉伸断口区域的微裂纹 图5复合材料弹性系数随着颗粒体积分数的增加,在复合材料加工制造阶段,相互粘连、挤压、团结的颗粒增多,而且,还帆布,较准确地模拟复合材料的弹性模量。5结论颗粒增强复合材料的随机分布模型是符合实际情况的,其高应力区域与实验观测结果相吻合。234567参考文献GuildFJ.Bonfield W.Predictive modeling of hydmxyapatitepolyetIlylene

8、composite.Biomatefials。1993;14:985-993BalacI。UskokoviePS,IgnjatovicN,eta1.Stress analysisinhydroxyapatite/polyLlactide compositebiomaterials.ComputationalMaterialsScience,2001;20:275-283U Z14,Sehmauder S,WannerA,n at.Expression tocharacterize theflow behaviorofparticlereinforcedcompositesbasedonaxis

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10、 W。ChenTM.Mieromechanics andeffectivemoduliof elasticcomposites containingrandomlydispersed ellipsoidal inhomeneitiesActaMechaniea。1994;103:103121樊建平,邓泽贤.两个单位胞体模型数值模拟结果比较.华中科技大学学报,2003;31:8284柏振海,黎文献,罗兵辉.一种复合材料弹性模量的计算方法.中南大学学报,2006;37:438443Particle Reinforced Composite Random Numerical SimulationMo

11、delSHAN Haoliang,GUO Rongxin,XIA Haiting,YANG Bangcheng,HE Tiancun (The facultyof ArchitecturalEngineering,Kunming Universityof Science andTechnology,Kunming 650024,P.R.ChinaAbstractUsing three.dimensional finite element method method,makeananalog computation by building thepellet random distributio

12、n compatriot body numerical value analysis model,to the particulate composite.Under the effect stretching load unidirectionally。discuss thatyonMises strain distribution law and elasticity modulus numerical value imitate in the model.With experiment bear fruit compare,discover the pellet random distribution compatriot body model elasticity modulus according with reality fa