基于随机顺序吸附法的CsfMg周期性体胞模型的建立及其应用.pdf

第42卷 第8期 稀有金属材料与工程 、，01．42．NO．8 2013正 RARE AND 8月 METAL～【pdERIALSENGINEERING 2013 August 基于随机顺序吸附法的Csf／Mg周期性 体胞模型的建立及其应用 田文龙，齐乐华，周计明，霍金星，杨 方 (西北工业大学，陕西西安710072) 摘要：采用随机顺序吸附法建立了C。f／Mg复合材料周期性体胞模型，对C。f／Mg复合材料的拉伸性能进行了有限元模 拟。对比拉伸试验结果，验证了该周期性体胞模型的有效性。模拟结果显示：随着C。dMg复合材料中纤维体积分数的 提高，其拉伸性能不断提高，弹性模量、屈服强度和抗拉强度均随之增加；平行于外载方向的纤维承载了最大的应力，而 与外载方向约呈600角的纤维承受的应力最小；平行于外载方向的纤维，其端面附近的基体也承受了较大应力；在拉伸 变形的过程中，基体的塑性变形由纤维附近区域向基体其他区域扩展。 关键词：镁基复合材料；周期性体胞模型；有限元模拟；拉伸性能 中图法分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1002．185X(2013)08—1601．05 合材料非周期性体胞模型；金泉等[12】基于随机顺序吸 短切碳纤维增强镁基复合材料(C。?Mg)具有高 比强度、高比刚度和低热膨胀系数等优良性能，在航 附法建立了原位合成TiB纤维和TiC颗粒混杂增强 的钛基复合材料周期性单胞模型。上述复合材料模型 空、航天、国防等领域具有广泛的应用前景[1刁l。C。?Mg 复合材料的力学性能主要取决于其微观结构，对其力 中的纤维是不完整的，或是通过将纤维超出单胞边界 学性能的有限元模拟研究可以在一定程度上减少试验 部分移到基体相对应的位置来体现单胞的周期性。 次数、节约成本、缩短研发周期。 本研究根据随机顺序吸附法，提出了一种纤维完 目前，对短纤维增强金属基复合材料微观结构建 整的C。f／Mg复合材料周期性微观体胞模型，其中纤维 模研究中，大多采用对称单胞模型[4’5】。该模型结构简 体积分数为10％、位置及取向随机分布。基于此模型 单，单元、节点数少，有限元网格规则，增强相体积 对C。f／Mg复合材料拉伸性能进行有限元模拟，得到了 分数较高，模拟计算耗时少，有利于分析界面脱粘等； 复合材料的拉伸应力．应变曲线，并与拉伸试验结果相 但忽略了增强体之间的相互作用等因素。增强体整齐 比较，验证了该模型的合理性。 排列模型[6]虽考虑了增强体之间相互作用对复合材料 1 C。f／Mg复合材料周期性体胞模型建立 力学性能的影响，但对短纤维增强金属基复合材料而 言，其纤维取向一般为随机分布；考虑纤维取向分布 1．1 基本假设 非整齐排列的平面多纤维模型[_7】对此有了进一步改 对纤维体积分数为10％的真空吸渗挤压C。f／Mg 进。文献[8]采用纤维取向不同的单增强体单胞计算出 复合材料拉伸试样断口研究表明，纤维弥散分布，无 复合材料的力学性能，然后按照纤维取向分布的百分 明显团聚现象，取向在0。～3600范围内随机分布，几 比加权平均获得复合材料整体的力学性能。上述模型 何形状为圆柱状。采用Matlab软件对多幅碳纤维预制 主要是基于对复合材料微观结构的理想简化，较难表 体显微图