聚合物矿物复合材料的结构建模及性能模拟

发布时间：2020-08-14 23:18

【摘要】：聚合物矿物复合材料是由改性环氧树脂等聚合物为胶结料,以花岗石等矿物颗粒为骨料,并加入石英砂或粉煤灰等填料,固化后形成的一种复合材料,因其良好的可加工性、高振动阻尼性,以及较低的热传导率和热膨胀系数,在机床制造业获得越来越广泛的应用。在细观尺度上,聚合物矿物复合材料是由骨料、基体及其之间的界面过渡区等组成的一种多相非均质颗粒增强复合材料,各组分的性能与结构都对其宏观性能产生影响。随着计算机技术的高速发展,建立有效的数值模型,研究材料的细观结构和组分性能与材料整体性能的关系,对聚合物矿物复合材料的优化设计与安全评估具有重要意义。本文深入了解了目前已有的细观数值模型以及聚合物矿物复合材料各组分的性能特点和细观结构,针对已有方法建模效率低或难以生成高体积分数骨料等问题,提出了一种创建高密实度三维细观结构模型的投落法及其密实度控制策略,并根据工程实际中的骨料形状特征和试块制备方法,建立了骨料被基体完全包裹和骨料与试样边界相交的聚合物矿物复合材料结构模型,考虑到界面过渡区的影响,揭示了细观组分结构及其材料参数对复合材料宏观性能的影响,最后通过建立粘结裂缝模型,研究了不同组分结构下的材料断裂行为和裂纹扩展规律,从而为聚合物矿物复合材料结构设计和性能预测奠定了基础。主要工作及结论如下:(1)提出了一种首先在较大空间中通过随机投放生成松散骨料模型,然后对骨料施加重力加速度,并通过有限元法将骨料下落到模型空间中,以生成高密实度聚合物矿物复合材料三维细观结构模型的投落法。该方法不仅能够快速生成骨料体积分数50%以上的细观结构模型,而且在骨料体积分数为10%、15%的模型生成中,分别比传统随机投放法节省计算时间56.9%、90.91%,表明随着骨料体积分数提高,投落法的效率优势愈加明显。提出了通过骨料表面壳单元厚度来控制骨料间隙,以保证骨料颗粒裹胶厚度的新方法,通过拟合曲线,建立了按富勒级配且最大颗粒尺寸为16 mm状况下,壳单元厚度与骨料体积分数的定量关系。根据工程实际中试块制备的铸型法和锯切法,分别提出了模型边界处骨料颗粒的单元删除法和几何裁切法,建立了骨料被基体完全包裹和骨料与试样边界相交两种结构模型,计算得到相同骨料级配下,后者的体积分数比前者约高l 0%,而当体积分数同为49%时,后者的弹性模量比前者高约2.96%,表明骨料与试样边界相交的模型在体积率和弹性模量方面优于骨料被基体完全包裹的情况。基于响应面分析法,探讨了骨料和基体弹性模量对材料宏观弹性模量的影响规律,根据模拟所得优化响应面,可以分析要获得一定性能的复合材料所需组分的弹性模量。(2)根据工程实际中骨料颗粒的几何形状特征,提出了生成凸形和凸凹形颗粒模型的新算法,进一步简化了骨料之间的干涉判断,当骨料体积分数为40%时,可有效节省计算时间38.54%。利用最近邻分布函数描述骨料空间分布状况,发现当最终体积分数均为25%时,投落法所生成的骨料的最近邻概率密度峰值稍高于传统随机投放法约0.08,证明前者生成的骨料分布更加均匀。对比随机投放的骨料模型和下落后骨料模型的骨料最近邻概率密度分布,发现二者基本一致;进一步分析松散模型与高密实度模型中粗骨料与细骨料均匀分布和非均匀分布两种状况,证实了模型创建过程中骨料分布规律的遗传性。追踪骨料下落路径,观察下落后的高密实度模型,发现凸凹形骨料之间产生与工程实际一致的颗粒咬合的进化现象。(3)研究了矿物骨料与聚合物基体之间的界面过渡区的建模方法,建立了聚合物矿物复合材料的三相细观模型。通过单变量法,研究了界面过渡区的厚度、弹性模量以及骨料颗粒的体积分数和尺寸对聚合物矿物复合材料弹性模量的影响。结果发现,当其他变量一定时,聚合物矿物复合材料的弹性模量与界面过渡区的厚度成反比,与界面过渡区的弹性模量和骨料颗粒的体积分数成正比,而骨料尺寸对其影响不大。(4)建立了含有不同形状骨料的聚合物矿物复合材料细观结构的粘结裂缝模型,在基体、骨料和它们之间的界面上全部插入粘聚力单元,研究了模型受载时的断裂行为和裂纹扩展规律。结果表明,骨料的形状越圆滑,越不容易造成应力集中,其拉伸断裂强度也越高;聚合物矿物复合材料的宏观抗拉强度随着骨料体积分数的增加而降低;当界面粘聚力单元的抗拉强度和断裂能为基体的12.5%和25%时,破坏仅发生于界面过渡区和基体内部,随着界面粘结裂缝断裂性能的提高,骨料内部也发生破坏,当界面过渡区和基体断裂性能一致时,裂纹变得比较平整。材料宏观应力—位移响应的峰前阶段和峰值应力都受基体粘聚力单元抗拉强度的影响,而断裂能不影响峰前阶段,基体粘聚力单元的抗拉强度和断裂能的提高都能提高材料的整体抗拉强度。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33
【图文】：

备以及固化成型过程中会产生收缩，造成界面上微裂纹的发生｜２５］，加上骨料的逡逑离析作用，聚合物矿物复合材料的表面会形成低硬度的浆体面层［２６），使得材料逡逑性能不能充分发挥。如图１．２用聚合物矿物复合材料生产的机床床身，如果材料逡逑弹性模量低并造成结构刚度不足，其横梁将因重力和工作负载产生向下的弯曲变逡逑形，从而影响机床的形状和尺寸精度。逡逑

有骨料、基体的两相材料模型，或者包括界面过渡区的三相复合材料模型，最终逡逑划分有限元网格并赋予其材料属性，能够比较真实地反映低密实度颗粒增强复合逡逑材料的内部空间细观结构［７８￣８７］，包括了二维和三维建模（图１．４）。骨料模型的逡逑建立主要是采用随机投放法，单个骨料颗粒几何形状的生成和放置分开执行。“投”逡逑步骤中，空间中生成随机形状的二维多边形或三维多面体。在“放”阶段，多边逡逑形或多面体被随机投放至试样空间中。这种随机骨料模型可以很好地模拟复合材逡逑料的受力以及破坏过程，但是传统的随机投放方法受到计算量的限制，最高能建逡逑立３５％以内的体积分数的骨料模型，无法实现三维高骨料体积分数的细观模型的逡逑建立。逡逑■逦＿逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．４随机骨料模型逡逑（ａ）二维随机骨料模型（ｂ）三维随机骨料模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ逡逑（ａ）邋ｔｗｏ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ邋（ｂ）邋ｔｈｒｅｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｒａｎｄｏｍ邋ａｇｇｒｅｇａｔｅ邋ｍｏｄｅｌ逡逑基于随机骨料模型，对材料细观结构的研宄最开始着眼于二维尺度内的研宄。逡逑在二维平面内模拟骨料颗粒所利用的基本图形有：圆、椭圆及多边形。根据瓦拉逡逑１５逡逑

的区域关联的连续多边形。每个Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形都可以认为是根据一个点所创造逡逑的区域。此多边形的大小、位置和形状都与周边点的状态有关。Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形逡逑内部只有一个离散点的数据，并且多边形上的点距离响应离散点最近，如图１．６逡逑所示。使用Ｖｏｒｏｎｏｉ／Ｄｅｌａｉｍａｙ划分方法产生的骨料形状可能与自然骨料很接近，逡逑但难以控制尺寸分布，无法考虑骨料级配的影响，并且当涉及到三维空间的建模逡逑时，由于空间布点的困难，网格划分比较困难。逡逑１７逡逑

本文编号：2793672