碳纤维/橡胶和炭黑/橡胶复合材料力学性能及裂纹扩展损伤有限元模拟

为了研究碳纤维/橡胶复合材料和炭黑/橡胶复合材料的力学性能及裂纹扩展机制,首先分析了不同体积分数填充物对复合材料力学性能的影响,然后基于扩展有限元法研究了碳纤维/橡胶复合材料和炭黑/橡胶复合材料裂纹扩展损伤演化,探究了单轴载荷下增强体体积分数对橡胶材料裂纹扩展过程中撕裂能和J积分的影响,分析了碳纤维和炭黑增强橡胶基复合材料裂纹扩展损伤规律。结果表明,橡胶复合材料随着增强体体积分数的增大,其有效弹性模量也增大,在大变形条件下材料的力学性能随着增强体体积分数的增加有显著改善。增强体在橡胶复合材料的裂纹扩展过程中可以有效抑制裂纹的扩展过程,但增强体的体积分数并不是越大越好,随着体积分数变大,材料的抗断裂性能有减弱的可能,炭黑和碳纤维增强体的体积含量分别为15%和10%时,在裂纹扩展的过程中所消耗的能量较小。

炭黑填充橡胶复合材料的宏细观力学行为研究

为了研究炭黑的填充对橡胶材料力学行为的影响,对9种不同体积分数的炭黑填充橡胶材料进行准静态单向拉伸试验,并依据试验数据采用最小二乘法对Mooney橡胶的本构常数进行拟合,然后采用随机序列吸附算法建立更加接近炭黑填充橡胶复合材料真实细观结构的多球颗粒随机分布的三维细观数值模型,对炭黑填充橡胶材料的力学行为进行模拟仿真。研究结果表明,炭黑的填充明显提升了橡胶材料的刚度大小,而且炭黑填充量越大,橡胶的初始模量越大,同一变形量下橡胶的应变能密度越大,应力松弛现象也越明显;炭黑填充量为7%和15%时,细观模型对应力应变行为的预测结果与宏观试验曲线基本重合,炭黑填充量为25%时,细观模型预测结果稍微低于试验结果,说明提出的三维数值模型对炭黑填充橡胶材料力学行为的预测结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的合理性和适用性,为进一步的深入研究奠定了基础。

AlN填充有机灌封硅橡胶导热性能的数值模拟

通过数值技术及实验手段研究了含有球形氮化铝(AlN)导热填料的有机灌封硅橡胶的导热性能。采用随机序列吸附(RSA)方法,建立了AlN增强有机灌封硅橡胶的三维有限元模型,该模型可以生成颗粒位置随机分布、颗粒直径任意调整的代表体积单元,能够得到单一粒径和多粒径的模型。制备了半径3μm AlN增强硅橡胶的复合材料,并测试了不同填充量下体系的导热系数。对比有限元方法得到的导热系数预测值与实验测试结果,证明该模型能够较精确地模拟球形填料增强的复合材料。模拟结果显示:灌封胶的导热系数随着AlN含量的增加而增大,并且质量分数大于50%时增大的幅度越来越大;填料粒径呈正态分布时,能够在硅橡胶基体中有效堆积而提高填充量;两种粒径比例不同时,导热系数也不同。

炭黑填充橡胶超弹性力学性能的三维有限元模拟

本文采用随机序列吸附(RSA)方法建立了不同炭黑含量填充橡胶的三维随机细观代表体积单元(RVE),模型中炭黑颗粒位置随机分布,颗粒半径服从均值为32nm的正态分布.以炭黑含量17.1%的填充橡胶为例,详细探讨了确定材料细观模型RVE尺寸L及网格密度的方法,最后利用不同炭黑含量的RVE模型,对炭黑填充橡胶单轴拉伸力学行为进行了模拟.结果表明,炭黑填充橡胶RVE尺寸和粒径比(L/R)大于6时,计算结果几乎不受RVE尺寸影响;确定合适的RVE网格密度既能保证精度要求还能有效提高计算效率;对比有限元结果和实验结果,说明利用本文方法建立的代表体积单元能反映真实材料细观结构特点,能对橡胶宏观力学行为进行预测,对材料设计有一定的指导意义.

炭黑增强橡胶复合材料力学行为的三维数值模拟

论文基于炭黑填充橡胶复合材料具有周期性细观结构的假设,采用一种新的、改进的随机序列吸附算法建立了三维多球颗粒随机分布式代表性体积单元,并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力学行为进行了模拟仿真.研究结果表明:采用改进的随机序列吸附算法所建立的模型更加便于有限元离散化;模拟中周期性边界条件的约束,使其更加符合实际约束的真实情况;炭黑填充橡胶复合材料的有效模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;通过比较发现,论文提出的多球颗粒随机分布式三维数值模型对复合材料的应力-应变行为和有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合良好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析.