有限元法分析金属基复合材料 有限元与材料科学方向毕业设计 毕业论文.doc

1 引言 1.1研究的目的及意义 金属基复合材料是在树脂基复合材料的基础上发展起来的。最初在60年代初期开始有所发展，但由于当时制备技术等各种因素的制约，并没有引起广泛的注意。进入到70年代后期，由于高新技术对材料的各种性能要求日益提高，金属基复合材料以其优良的性能引起各国政府、工业界的重视，被誉为先进复合材料，与传统材料相比较，它具有重量轻、高比弹性模量、高比强度、耐疲劳、耐磨损、低能耗、低膨胀系数等特点，具有在军事、航天航空、汽车、机械、电子等各种领域应用的可能性[1]。在高温下制备复合材料时，基体与增强体之间极易发生有害的界面反应，而合适的界面涂层不但能有效阻挡这类反应，而且还可以对复合材料界面残余应力的分布起到一定的调节作用[2]。在复合材料使用过程中，由于基体和纤维性能的差异，热残余应力的存在不可避免，它对复合材料的力学性能有着重要影响，有时甚至会导致基体开裂，因此受到人们的高度重视[3]。由于材料不同且具有不同力学性能的界面层，其厚度和性能会对复合材料的有效性能产生剧烈的影响[4]，所以合适的界面厚度使得基体与基体的界面结合适中，有利于材料性能的提高[5]。 研究表明，金属基复合材料的内部残余应力对复合材料的力学性能具有重大影响, 为了预测金属基复合材料内部残余应力的大小及影响，许多学者都致力于研究金属基复合材料内部残余应力的理论计算模型[6]。广义地说，残余应力是一种普遍存在的现象，产生残余应力的原因也是多种多样的。金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有：(1)基体与增强体之间界面结合良好；(2)温度变化；(3)增强体与基体之间的热膨胀系数差异[7]。而这些简化模型的界面层具有一定的厚度，界面结合的好坏由界面层材料力学性能来表征[8]。并且建立一些模型对于分析和理解热残余应力的分布特征和变化趋势是非常用的[9]。 几年来，随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了数值模拟技术的热潮，数值模拟技术的应用，不仅可以节省实验时问、节约研究经费，而且对研究残余应力对复合材料性能的作用规律、促进金属基复合材料的应用与发展都具有重大意义[6]。因此全面了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分布规律，对复合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指导意义[2]。 1.2研究现状 尽管金属基复合材料目前尚未获得大规模应用，但这些性能均可在一定范围内加以设计，必定存在着能充分发挥其性能优势的应用领域，会有更加广阔的前景[9]。随着力学理论和计算机技术的飞速发展，金属基复合材料的力学分析得到了很大进步。在其力学模型方面，用有限元计算技术与力学和材料科学相结来进行研究[10]。又鉴于复合材料的成型工艺占其成本的60%~70%，所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单、能实现近似无余量成型的工艺方法是当务之急[11]。 残余应力决定了复合材料变形的特殊性，大量研究人员对此进行了深入的研究，并取得了重大进展[12]。 从有关文献与资料可以得知，数十年来，美、法、俄、德、日等国家对金属基复合材料残余应力的抑制与消除技术上的理论研究一直非常重视，在实际生产工艺中也达到了相当高的工艺水平[13]。对热残余应力分布的影响分析中，我国权高峰等人进行了弹塑性分析计算，结果表明单程变温造成的微观热应力和残余应力其绝对值均沿径向按指数或对数规律减小，而且受热或冷却时基体中的屈服首先发生在界面处，并逐渐向基体中扩展[14]。王玉庆等[15]对涂层在复合材料中的力学行为进行了理论分析,指出界面残余应力是热膨胀系数与弹性模量综合作用的结果,高模量涂层在热膨胀系数低时才能减小界面残余应力,而低模量涂层不论热膨胀系数大小均能减小界面残余应力。丁向东等[16]运用轴对称有限元法得出残余应力会降低拉伸过程中的应力传递，加强压缩过程中应力传递，使复合材料室温抗压强度高于抗拉强度。马志军等[17]以SiC/Ti-24Al-11V为研究对象，分析了纤维体积分数与残余应力的关系，得出纤维体积分数也会对残余应力产生影响。 国外对材料中热残余应力的分析也有一些成果。诸如Harris等[18]提出垂直于纤维方向的热残余应力模型，并假设纤维被埋在具有复合材料宏观属性的等效基体中，利用等效弹性模量得出接触压力与纤维组分之间的关系。Nairn等[19]首先针对含有均匀界面相的复合材料热残余应力进行研究。Jayaraman等[15]给出三种含有性能梯度界面的复合材料热残余应力分布。Mitaka等[20]给出四相模型（纤维、界面相、树脂、等效基体）。Kim和Mai等[21]通过单丝三相模型建立界面相参数与纤维树脂接触压力之间的关联关系。 当下运用计算机及有限元技术进行计算仿真成为热门，国内外也将其运用于航空、电子和汽车等行业。先以CAD/CAM技术为例，德国COP—RA系统能