构型化金属基复合材料有限元建模技术
发布时间：2021-11-08 08:28
越来越多的研究发现增强体空间构型分布有望成为金属基复合材料强韧性倒置问题的有效解决办法。然而,构型设计要素种类繁多,除传统结构设计要素外,还包括增强体分布特征等结构参数。因此,仅靠传统的实验手段已无法满足复合材料构型设计的研究需求,借助有限元模拟探索各构型要素对复合材料性能的影响规律可作为试验研究的前提和有效补充。基于三维几何模型的有限元模拟技术,将增强体分布特征引入复合材料三维几何模型中,再引入各组分的物理及力学性能,则能够对构型化复合材料的变形与断裂行为进行模拟,并预测其力学性能。首先回顾了数值模拟颗粒增强金属基复合材料的几何和数值模型构建方法,然后对网状结构构型化复合材料有限元模拟工作的研究现状进行了介绍,最后对构型化复合材料有限元模拟工作的未来发展进行了展望。
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
强界面结合形貌特征与复合材料界面模型建立:(a)近界面区基体损伤[43];(b)厚度为50 nm的界面实体单元[10];(c)零厚度内聚力单元界面
在构型设计中，层状构型属于较为简单的结构类型，其几何模型也易于构建[53](如图6a和6b)。层内可以包含不同种类、尺寸、含量和取向的颗粒、晶须或长纤维，通常层状复合材料由两种层片材料堆叠而成，堆叠顺序为ABAB(如图6a)。在自然界中，有壳类软体动物凭借坚硬、抗冲击性能良好的外壳抵御捕食者。其中，部分壳体即为层状结构，如脉红螺壳和文蛤壳分别为具有ABCABC和ACBACB堆叠顺序的层状复合材料[54]。显然，将传统复合材料建模技术应用于层片的建模，再将层片以不同顺序堆叠，是可行的层状复合材料建模方法。该方法也可应用于梯度层状材料的性能预测。此外，由于环状构型与层状构型相近[55](如图6c)，其复合材料的几何模型也可以通过类似方法构建，只需要将层片换为圆筒即可。Guo等[56]建立了一种链条结构的复合材料几何模型，其中增强体颗粒排列成若干根长纤维状(如图6d和6e)。通过调节结构参数，可以调控增强体的局部体积分数。这种结构设计能够给予Si Cp/Al棒状构型复合材料(如图6f)[57]模型构建工作一些启发。
近些年，颗粒增强复合材料体系的三维建模技术取得了重要的技术突破。上海交通大学苏益士等[8]对大量Si C颗粒进行SEM观察，并采用数字图像技术对颗粒进行了几何学分析，提出了一种新颖的颗粒建模方法:将三角形/凸四边形拉伸为三棱柱/六面体，再对实体进行棱角切割形成二十面体/二十六面体，如图2a所示。图2b和2c对比了Si C颗粒的SEM形貌观察结果和基于几何信息统计的理想颗粒几何模型[8]，可以看出，Si C颗粒形状基本相同。结合粒度分析仪统计的Si C颗粒几何信息，能够建立出结构特征更加真实的复合材料三维几何模型[9](图2d)。图2 SiC颗粒和复合材料几何模型:(a)颗粒建模流程[8],(b,c)颗粒形貌与模型对比[8],(d)SiCp/Al均匀复合材料模型[9]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ballistic performance of tungsten particle/metallic glass matrix composite long rod[J]. Ji-cheng Li,Xiao-wei Chen,Feng-lei Huang. Defence Technology. 2019(02)
[2]颗粒增强金属基复合材料的结构建模与力学模拟研究进展[J]. 俞洋,苏益士,BERTHELOT Yann,欧阳求保,郭强,张荻. 中国材料进展. 2020(03)
[3]基于各向异性GTN模型的铝合金损伤参数确定[J]. 肖晋,胡玉梅,金晓清,陈敏治,周迎娥,邵金华. 机械强度. 2018(05)
[4]微纳叠层金属复合材料的断裂性能研究[J]. 刘志颖,郭强,张荻. 中国材料进展. 2018(02)
[5]使役条件下SiCp/Al复合材料的建模拟实[J]. 耿昆,张杰,张荻. 航空制造技术. 2017(17)
[6]金属材料的构型复合化[J]. 郭强,李志强,赵蕾,李赞,冯思文,张荻. 中国材料进展. 2016(09)
[7]应变梯度理论的新进展（二）——基于细观机制的MSG应变梯度塑性理论[J]. 黄克智,邱信明,姜汉卿. 机械强度. 1999(03)
[8]颗粒增强铝基复合材料的制备及应用[J]. 桂满昌,王殿斌,张洪,颜鸣皋,李昊,周彼德. 材料导报. 1996(03)
博士论文
[1]颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料性能的影响规律及其数值模拟[D]. 晏义伍.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]Al-B4C复合材料仿生轻质、高强结构设计与制备研究[D]. 魏子宽.吉林大学 2018
本文编号：3483367
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
强界面结合形貌特征与复合材料界面模型建立:(a)近界面区基体损伤[43];(b)厚度为50 nm的界面实体单元[10];(c)零厚度内聚力单元界面
在构型设计中，层状构型属于较为简单的结构类型，其几何模型也易于构建[53](如图6a和6b)。层内可以包含不同种类、尺寸、含量和取向的颗粒、晶须或长纤维，通常层状复合材料由两种层片材料堆叠而成，堆叠顺序为ABAB(如图6a)。在自然界中，有壳类软体动物凭借坚硬、抗冲击性能良好的外壳抵御捕食者。其中，部分壳体即为层状结构，如脉红螺壳和文蛤壳分别为具有ABCABC和ACBACB堆叠顺序的层状复合材料[54]。显然，将传统复合材料建模技术应用于层片的建模，再将层片以不同顺序堆叠，是可行的层状复合材料建模方法。该方法也可应用于梯度层状材料的性能预测。此外，由于环状构型与层状构型相近[55](如图6c)，其复合材料的几何模型也可以通过类似方法构建，只需要将层片换为圆筒即可。Guo等[56]建立了一种链条结构的复合材料几何模型，其中增强体颗粒排列成若干根长纤维状(如图6d和6e)。通过调节结构参数，可以调控增强体的局部体积分数。这种结构设计能够给予Si Cp/Al棒状构型复合材料(如图6f)[57]模型构建工作一些启发。
近些年，颗粒增强复合材料体系的三维建模技术取得了重要的技术突破。上海交通大学苏益士等[8]对大量Si C颗粒进行SEM观察，并采用数字图像技术对颗粒进行了几何学分析，提出了一种新颖的颗粒建模方法:将三角形/凸四边形拉伸为三棱柱/六面体，再对实体进行棱角切割形成二十面体/二十六面体，如图2a所示。图2b和2c对比了Si C颗粒的SEM形貌观察结果和基于几何信息统计的理想颗粒几何模型[8]，可以看出，Si C颗粒形状基本相同。结合粒度分析仪统计的Si C颗粒几何信息，能够建立出结构特征更加真实的复合材料三维几何模型[9](图2d)。图2 SiC颗粒和复合材料几何模型:(a)颗粒建模流程[8],(b,c)颗粒形貌与模型对比[8],(d)SiCp/Al均匀复合材料模型[9]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ballistic performance of tungsten particle/metallic glass matrix composite long rod[J]. Ji-cheng Li,Xiao-wei Chen,Feng-lei Huang. Defence Technology. 2019(02)
[2]颗粒增强金属基复合材料的结构建模与力学模拟研究进展[J]. 俞洋,苏益士,BERTHELOT Yann,欧阳求保,郭强,张荻. 中国材料进展. 2020(03)
[3]基于各向异性GTN模型的铝合金损伤参数确定[J]. 肖晋,胡玉梅,金晓清,陈敏治,周迎娥,邵金华. 机械强度. 2018(05)
[4]微纳叠层金属复合材料的断裂性能研究[J]. 刘志颖,郭强,张荻. 中国材料进展. 2018(02)
[5]使役条件下SiCp/Al复合材料的建模拟实[J]. 耿昆,张杰,张荻. 航空制造技术. 2017(17)
[6]金属材料的构型复合化[J]. 郭强,李志强,赵蕾,李赞,冯思文,张荻. 中国材料进展. 2016(09)
[7]应变梯度理论的新进展（二）——基于细观机制的MSG应变梯度塑性理论[J]. 黄克智,邱信明,姜汉卿. 机械强度. 1999(03)
[8]颗粒增强铝基复合材料的制备及应用[J]. 桂满昌,王殿斌,张洪,颜鸣皋,李昊,周彼德. 材料导报. 1996(03)
博士论文
[1]颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料性能的影响规律及其数值模拟[D]. 晏义伍.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]Al-B4C复合材料仿生轻质、高强结构设计与制备研究[D]. 魏子宽.吉林大学 2018
本文编号：3483367
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