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颗粒增强复合材料界面脱层和热机疲劳的数值模拟

郭然

  随着科学和技术的发展,复合材料因其良好的力学特性,在航空、汽车、军事、核能和电子等一些重要的工业领域得到了越来越广泛的应用。在颗粒增强复合材料中,异相材料的加入可以改善材料性能,但同时又导致了材料断裂特性和疲劳特性的下降。这正反两方面作用的产生均依赖于夹杂、空洞以及裂纹等微结构的大小、形状、材料特性以及它们的空间分布。如何能正确分析和模拟受微结构影响的复合材料力学性能,一直是力学和材料学科领域的前沿课题之一,对现代工业的发展具有重要的意义。本文的主要工作包括:一、基于Voronoi单元有限元法,提出能够反映粘接界面面力连续条件和裂纹表面零界面力的修正余能泛函,推导了能够反映基体和夹杂界面产生脱层的单元。提出了一些改进方法:应力函数的适当构造;改进积分区域的划分;推导单元中线积分的解析解。编制了相应的前、后处理程序,为结果的显示、对比分析提供了方便的途径。二、提出一种网格重划分算法,运用于模拟含任意随机分布夹杂的颗粒增强复合材料结构的界面脱层损伤演化过程。与通用计算软件MARC和ABAQUS相比较,在相同的计算精度下,本方法单元划分简单,计算速度快捷,显示了处理多相材料力学计算的优越性。三、提出一种新的考虑热应变、蠕变应变和塑性应变,反映界面脱层的Voronoi单元,并将其引入颗粒增强复合材料的力学性能模拟中。分析了机械疲劳载荷和热疲劳载荷的相位关系对结构的热机疲劳迟滞迴线影响,以及夹杂的拓扑结构对材料热机疲劳特性的影响。以上分析在充分考虑了材料的微观拓扑结构的前提下,得到一些关于含复杂微结构颗粒增强复合材料热机疲劳性能的重要结论。论文应用Voronoi单元有限元方法,研究了考虑热和机械共同作用下颗粒增强复合材料的力学性能和损伤演化过程,提出了相应的计算技术。在静载荷条件下,发展了界面损伤分析方法,在循环载荷条件下,分析了各种因素对热机械疲劳响应的影响,对材料疲劳寿命预测技术的发展有重要的价值。……   
[关键词]:颗粒增强复合材料;界面裂纹;Voronoi单元有限元法;热机疲劳
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:清华大学2003年