基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型

针对PBX的细观力学模型存在模型结构与真实PBX细观形貌不符、破坏行为描述不全面(仅考虑界面脱粘)、研究对象单一(大多针对PBX-9501)等问题,建立了基于Voronoi建模和Cohesive单元的PBX细观力学模型。首先,基于光学显微镜下的细观结构图,采用Voronoi方法构建了更贴近实际形貌的PBX炸药细观模型;然后,采用内聚力有限元方法在炸药晶体内部、黏结剂内部及炸药颗粒/黏结剂界面处都引入了Cohesive单元,以在二维尺度上实现任意路径破坏行为的模拟;最后,针对某HMX基-F2311黏结剂炸药和某HMX基-F2313黏结剂炸药标定了模型参数,模拟了这两种炸药的准静态拉伸行为。结果表明,两种炸药数值模拟的拉伸变形曲线、破坏应力、破坏应变都与试验数据吻合良好,表明该模型不仅适用于不同PBX炸药材料(线弹性PBX、非线性PBX)的变形行为描述,还可以分析PBX炸药在拉伸破坏过程中的细观机理,刻画不同PBX炸药的裂纹萌生、扩展和贯穿的过程。

基于代表性体积单元模型的矿石组分界面破碎特征

矿物组分的界面破碎特征一般指黏结界面在外部载荷作用下产生的应力、应变等,其对研究矿物组分解离、提高矿石破碎效率具有重要意义。针对矿石内部组分矿物聚集、有用矿物非均匀分布的特点,开展了岩石内部岩相分析实验和矿物界面原位加载实验,在此基础上,利用非线性、多尺度建模平台DIGIMAT构建符合组分矿物微观结构的代表性体积单元(RVE)模型,并通过DIGIMAT-ABAQUS耦合开展矿石RVE模型原位破碎模拟。结果表明:(1)黑钨矿石中有用矿物以颗粒状分布在矿石内部,主要分布在石英矿物内及其与硅质岩矿物黏结界面处;(2)不同组分黏结界面的力学性质存在差异,且与组成矿物的物理属性、形态特征等相关,石英-硅质岩界面的最小破碎应力(界面发生破坏时的应力)范围为1.1785~1.4826 GPa,石英-钨界面的最小破碎应力范围为1.3355~1.5420 GPa;(3)加载速率为0.010或0.005 kN/s时,矿石破碎峰值应力无明显变化,但其对矿石内部形变的影响较大,且加载速率为0.010 kN/s时,强化阶段应力易突然降低并不断波动;(4)原位载荷产生的破坏主要发生在载荷作用区域边界,且两组界面中石英矿物破碎力学性能参数大于钨矿物和硅质岩矿物,即界面组成矿物中石英矿物优先形成破坏。

基于Digimat中RVE模型的磁流变弹性体的磁致压缩力学性能的数值模拟

磁流变弹性体的宏观压缩力学性能受其组分材料的体积比、形态和外加磁场等因素的影响。从3方面系统的研究了磁流变弹性体在磁场和压缩条件下的静态磁致力学性能。首先运用Digimat软件中的均匀化方法和RVE研究零磁场条件下的磁流变弹性体力学性能。然后研究了磁场条件下各向同性和各向异性磁流变弹性的磁致力学性能。最后利用实验方法研究磁流变弹性体的力学性能。得到了磁场的施加使得各向同性和颗粒成链磁流变弹性体的压缩模量增大,同时颗粒成链比各向同性磁流变弹性体的磁流变效应更大的结论。

基于内聚力模型的纤维复合材料细观损伤模拟

基于代表性体积单元和内聚力模型,使用内聚力单元和扩展有限元方法分别模拟界面损伤和基体损伤,通过ABAQUS二次开发建立了纤维增强复合材料细观力学模型。以受横向拉伸的碳纤维/树脂代表性体积单元为研究对象,分析对比了不同强度下仅考虑界面损伤时复合材料的力学特性和同时考虑界面、基体损伤时的力学特性。结果表明纤维对基体的增强效果随界面强度提高;扩展有限元方法能在不依赖网格数量的条件下准确描述基体中多条裂纹的萌生及扩展过程,并且捕捉到基体裂纹引起的界面损伤;仅考虑界面损伤时的代表性体积单元平均应力-位移曲线后期呈上升趋势,而同时考虑界面和基体损伤的平均应力-位移曲线后期呈下降趋势。

芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击特性及损伤分析

为了研究1000D629T/EPMOLD110芳纶平纹编织复合材料平板抗冲击行为及损伤特性,采用真空辅助树脂灌注成型技术(VARI)和树脂传递模塑成型技术(RTM)加工不同厚度的平板试验件,通过空气炮装置进行弹道冲击试验。同时,基于芳纶平纹编织复合材料基础力学性能试验数据,建立经验证的细观代表体积单元(RVE)模型,通过拟合确定宏观模型的材料本构参数;建立芳纶平纹编织复合材料平板弹道冲击宏观有限元模型,结合CT扫描结果进一步分析其弹道极限特性及损伤形貌等。结果表明:芳纶平纹编织复合材料平板在圆柱弹体冲击试验下的失效模式主要为纤维拉伸断裂、纤维脱出、面外剪切与层间分离等;随着平板厚度增加,其弹道极限相应增加,且与VARI工艺相比,采用RTM工艺可将芳纶平纹编织复合材料平板的抗冲击性能提升5%;芳纶平纹编织复合材料平板宏观模型的弹道冲击仿真结果与试验结果吻合较好,弹道极限误差在1%以内。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

纤维增强复合材料宏观与细观统一的细观力学模型

研究了复合材料宏观、细观特征之间的联系,将宏观复合材料体中的1点赋予了细观结构特征。基于细观结构周期性假设,建立了1种细观力学模型,用模型中高阶多项式函数模拟基体和增强相中的细观位移场;通过对细观单元力学方程的分析与求解,建立了复合材料宏观、细观力学变量之间的联系。该细观力学模型,不仅能用于复合材料宏观有效性能的预测及细观应力、应变场的分析,而且能够很容易地融入常规有限元法中,实现对复合材料结构的宏观、细观一体化分析。以该细观力学模型为基础的计算结果与部分文献中的试验结果及理论计算值具有较好的一致性。

高精密运动台直线电机温度模拟与实验研究

介绍了半导体装备领域高精密运动台直线电机组成,指出电机散热对运动精度的影响。通过实验验证了直线电机在180 W工况下采用代表性体积单元(RVE)模型得到的线圈等效导热系数的正确性,可以为不同工况下仿真计算直线电机的温升提供参考依据。通过直线电机表面温度的实验数据与仿真数据对比研究,二者线圈正面最大温度误差小于10%,冷却水出口温度误差为0.09‰。同时模拟了仿真模型和等效导热系数的相关性,为高精密运动台直线电机温度模拟提供了参考。

基于硅胶型磁弹磨粒的双磁盘磁力钝化研究

磁弹磨粒具有磁性、低弹性模量以及优良的研磨性能,兼备粘结磨粒和松散磨粒的特点。双磁盘磁力钝化方法能极大地提高钝化质量和钝化效率。将磁弹磨粒引入到双磁盘磁力钝化法中,提出了4035硅胶磁弹磨粒的制备方法,根据磁弹磨粒的细观特性,采用有限元软件ABAQUS建立了磁弹磨粒的细观代表性体积单元(RVE)模型,分析了磁弹磨粒在拉伸和压缩状态下的应力应变规律。搭建磁弹磨粒双磁盘磁力钝化实验平台,对磁弹磨粒进行受力分析。通过磁弹磨粒双磁盘磁力钝化实验,研究了磁盘转速、磨粒粒度和相对磁导率对刃口磨损量的影响规律,并且验证了采用磁弹磨粒磁力钝化法,相对于磁性磨粒磁力钝化法和立式旋转钝化法,能够获得最大刃口磨损量和最大表面粗糙度降幅。研究成果对促进我国磁力高效加工和磁力光整加工技术进步具有重要意义。

颗粒增强橡胶细观力学性能二维数值模拟

在细观层次上建立了具有随机分布形态的代表性体积单元,通过细观力学有限元方法对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的宏观力学性能进行了研究。采用二维平面应变模型进行单轴压缩模拟仿真,通过施加周期边界条件保证了代表性体积单元变形场的协调性。重点研究讨论了颗粒的随机分布形态和粒径大小、刚度、体积分数对复合材料宏观应力-应变关系曲线和有效弹性模量的影响。结果表明:炭黑颗粒的填充显著提升了橡胶材料的刚度,在炭黑含量Vf=0.2513时,复合材料的有效弹性模量值高于橡胶初始模量值的2倍;复合材料的有效弹性模量随颗粒所占体积分数的增加而增大。

轴棒法炭/炭复合材料力学性能预测研究

为形成一套完善的轴棒法炭/炭复合材料基本力学性能预测方法,首先完成了轴棒法炭/炭复合材料代表性体积单元的建立,然后以周期性边界条件为理论基础,编写了周期性边界条件子程序,最后结合均匀化理论和双线性内聚力模型对轴棒法炭/炭复合材料力学性能进行了预测研究。研究结果表明,以均匀化理论、双线性内聚力模型和周期性边界条件为基础,采用代表性体积单元可以快速有效地实现轴棒法炭/炭复合材料力学性能预测。

新型汽车用高强度中锰钢研究现状及发展趋势

随着全球能源危机的加剧以及环境问题的日益严重,汽车行业正向着轻量化设计发展,以满足节能、降耗、环保与安全的要求。实施汽车轻量化的途径主要有:(1)应用新材料、新工艺,即采用轻量化材料或轻量化成型技术,以达到减重的目的;(2)结构优化设计,即使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对车身零部件进行结构和工艺方面的改进等。作为汽车的主要材料,高强钢的应用不但能够达到减薄车身用板厚度与减轻质量的目的,还可提高安全性能。目前,高强钢的发展经历了三个阶段。从显微组织上来看,经历了以BCC晶格的铁素体为基体的第一代到FCC的奥氏体的第二代,再到铁素体与残余奥氏体的第三代。尽管第一代高强钢的强度比较高,但其塑性受到限制。为了解决此问题,可在第二代高强钢中添加大量的Cr、Ni、Mn、Si和Al等合金元素,但这样会增加生产成本,并且在后续加工过程中产生一些问题,从而限制了其规模化生产进程。鉴于此,第三代高强钢通过降低合金元素的含量,以C、Mn、Al、Si元素为主,在降低成本的同时,兼具高强度与高塑性,能够达到较高的强塑积。第三代高强钢以中锰钢为代表,是利用热轧或冷轧板在退火过程中发生奥氏体逆转变形成亚微米级的奥氏体和铁素体双相组织,随后奥氏体在变形过程中发生相变诱导塑性(TRIP)或孪生诱导塑性(TWIP)效应来提高钢的塑性和强度。近些年来,研究主要集中在通过对加热速度、奥氏体化温度、退火温度、退火时间与冷却速度等工艺参数优化来获得适量而稳定的残余奥氏体,取得了丰硕的成果。然而,对中锰钢力学性能方面的研究仅局限在拉伸性能,缺乏对于其后续成形性能及断裂机理方面的研究。本文归纳了新型汽车用高强度钢的发展历史及研究现状,明确了中锰钢在生产成本与力学性能方面的优势,介绍了中锰钢化学成分设计的依据及各合金元素所起的作用,分析了奥氏体化温度、退火温度、退火时间、加热速率与冷却速度等临界区退火工艺参数对残余奥氏体调控的影响。并揭示了中锰钢形变过程中残余奥氏体发生TRIP与TWIP效应来提高其强韧性的变形机制,阐述了孔洞形核、长大及其断裂机制,分析了拉伸过程中吕德斯带产生的原因,介绍了中锰钢在热成形方面的应用前景,展望了中锰钢未来的发展趋势,以期为中锰钢的工业化生产及实际应用提供参考。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料有效弹性模量预测

为了分析碳化硅颗粒增强铝基复合材料细观结构对其宏观力学性能的影响,针对无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料建立了表征其细观结构的2维代表性体积单元有限元模型,以建立复合材料宏观性能与细观结构之间的依赖关系。在周期性边界条件和模拟单轴拉伸边界条件下研究了颗粒的形状(圆形、椭圆形)和体积分数(10%、15%、20%)对其有效弹性模量的影响,并与无压渗透法制备的A356/SiCp复合材料试验值进行比较。结果表明:在2种条件下的预测结果相差不大,预测误差均不超过5%;碳化硅颗粒体积分数对复合材料的力学性能影响显著,对颗粒形状的影响很小,在相同边界条件及体积分数下,圆形和椭圆形颗粒的预测值相差不超过0.4%。

复合固体推进剂细观力学研究进展

复合固体推进剂的宏观力学性能与其细观组分密切相关。从细观结构的实验研究、细观力学的解析分析方法、细观模型的建立以及细观因素对宏观力学性能的影响四方面,对复合固体推进剂的细观力学研究进展进行了综述,并在此基础上提出了当前研究中存在的不足和需要进一步研究的重点。分析认为,实现动态加载复杂应力条件下的细观结构观测是难点,重点在于细观尺度下复合固体推进剂结构参数和变形程度的测定,针对该问题可借鉴其他颗粒增强复合材料细观结构的测试方法,将数字图像技术应用于细观结构图像处理;考虑细观各相的协同效应和增强相的分布与结构是解析分析的难点,提出基于微观力学对颗粒增强复合材料的强度和刚度进行分析,将分析结果返回细观模型,建立统一的多尺度分析框架;在细观模型建立方面,重点在于实现RVE的高效真实重构,提出基于细观图像识别与Abaqus/Python二次开发建立复合固体推进剂的细观结构模型;在数值模拟方面,应重点研究构建率相关界面损伤本构,实现复杂加载条件下的全域损伤分析。

WC-Co硬质合金微观结构随机分布模型与弹性性能预报

基于"随机法"构建了WC-Co硬质合金微观结构的二维参数化模型,使用移动窗口法确定了微观结构代表性体积单元的尺寸,通过有限元模拟拉伸实验计算了材料的弹性性能。该模型考虑了微观结构的拓扑参数,反映了微观结构中平均粒径、长径和短径、形心位置和取向角分布的随机性特征,并实现了Co相的体积分数的控制。结果表明,采用移动窗口法确定的代表性体积单元包含约120个晶粒;在拉伸实验中晶粒形状及其位置分布对各向异性的影响较小。弹性性能模拟结果和采用Golovchan模型计算及实验结果吻合较好,从而验证了该方法能够有效预测WC-Co硬质合金的弹性性能。

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型,该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征,模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性,确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式,结合能量法和渐进失效分析方法,利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好,表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。

基于Al/PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟

通过细观力学有限元方法对Al颗粒增强聚四氟乙烯(Al/PTFE)复合材料的宏观力学性能进行了研究,基于Al颗粒粒径分布统计规律及通过SEM对该复合材料孔洞含量的统计分析,在细观层次上建立了考虑颗粒和孔洞位置和尺寸分布的随机代表性体积单元(RVE),借助ABAQUS有限元软件,对二维平面应变和三维实体模型在单轴压缩载荷作用下的力学行为进行了数值仿真;并施加了周期性边界条件(PBC)以提高数值计算结果的准确性。此外,分析了不同颗粒含量下复合材料准静态应力-应变关系,重点对细观有限元模型与准静态压缩试验结果进行了对比分析。研究结果表明:二维和三维2种模型均能较好地模拟Al/PTFE的宏观力学性能,且二维模型较三维模型计算效率更高,并进一步证实了PBC的正确性和有效性。

一种高颗粒填充率丁羟推进剂二维细观模型生成方法

为了从机制上认识推进剂的宏观力学性能和试验现象,对推进剂开展细观力学研究十分必要,而代表体积单元(RVE)则是细观力学研究中的重要部分。在随机序列吸附(RSA)方法的基础上,提出将投递区域离散为背景网格,再进行二次随机投递,可以生成80vol%颗粒含量的细观模型,模型生成效率相较于传统RSA方法有所提高。采用Python语言编程,利用ABAQUS的二次开发接口,实现了推进剂RVE模型的快捷生成,并加载周期性边界条件。采用模型生成实例说明了本文方法的有效性,为开展推进剂的细观分析提供了参考依据。

金属-复合材料胶接凹槽形貌增强及参数设计

金属-复合材料混合接头广泛存在于航空、船舶及汽车等领域,具有凹槽形貌的共固化金属-复合材料接头可保持复合材料结构的完整性和纤维的连续性。在被连接金属表面设计了±45°凹槽,评估了表面形貌对钢-玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)接头胶接性能的影响,设计了单搭接拉伸剪切试验,验证胶接接头的剪切性能;在模拟中引入随机Weibull分布,定义内聚单元材料参数,结合矢量化用户材料(Vectorized user material,VUMAT)子程序模拟了接头的渐进失效过程,并建立±45°凹槽结构的代表性体积单元(Representative volume element,RVE)模型,分析了凹槽宽度和深度等参数对胶接接头的性能影响。研究表明,±45°凹槽结构可以显著提高钢-GFRP胶接接头的剪切强度,数值模拟强度和破坏模式与试验吻合;凹槽深度和宽度对结构胶接性能的影响显著,本文可为金属-复合材料接头的设计提供参考。