金属基复合材料（热）弹塑性行为变分渐近均匀化细观模型

发布时间：2017-08-23 19:22

  本文关键词：金属基复合材料（热）弹塑性行为变分渐近均匀化细观模型

  更多相关文章： 金属基复合材料 变分渐近法 细观力学模型 (热)弹塑性 均匀化

【摘要】：金属基复合材料(MMCs)具有较高比强度、比模量、良好的高温稳定性、导热导电性好、抗辐射等许多卓越的性能,在房屋建筑、航空航天、城市轨道交通、医疗器械等领域得到广泛应用。在实际应用中,金属基复合材料除了承受各种复杂载荷外,还受温度等各种环境因素的影响。这些荷载和环境因素使金属基复合材料的属性预测、受力表现和破坏机理变得复杂。传统细观力学模型方法对金属基复合材料的研究大多数都基于不同的特定假设,存在或多或少的缺陷,因此急需构建一种无需特定假设、且精度好、效率高的金属基复合材料细观力学模型和求解算法。本文基于变分渐近法(Variational Asymptotic Method,VAM)建立的周期性微结构的金属基复合材料细观力学模型,通过有限元和理论数据验证了该模型的准确性,然后用该模型模拟了金属基复合材料的弹塑性和热弹塑性性能。首先基于广义能量原理建立总能量增量方程,再结合最小势能原理、拉格朗日乘子法和准连续介质力学的概念,将约束条件(几何方程、位移连续条件等)下总能量增量方程的求解转换为能量泛函的求驻值点问题。其次为了构建仅对单胞求解的方法,以小规模计算代替大型计算,通过构造差值函数(精确值减去平均值)得到泛函的主导项,为了使变分分析泛函的主导项得到的边界条件齐次化,用波动函数表征差值函数,从而得到定义在单胞上的求解驻值问题。最后结合有限元实现数值求解,得到重构的应力应变场。利用该细观力学模型预测的金属基复合材料弹塑性和热弹塑性性能主要结论如下:(1)细观力学模型模拟的初始屈服面和ABAQUS结果吻合较好;当纤维体积分数较大时,细观力学模型的预测的应力应变曲线和ABAQUS、试验结果得到的应力应变曲线几乎一致。(2)对于偏轴荷载,当纤维体积分数很小时,金属基复合材料的应力应变曲线几乎与基体在?(28)45,70,90???下的应力应变曲线相同。而在?(28)0,20??时,金属基复合材料的全局弹性性能受纤维体积分数的影响很小,材料的柔度随偏轴荷载夹角的增加而先增加后减小,在?(28)45?时柔度达到最大。(3)在单向循环荷载下,沿纤维方向模拟的应力应变曲线和其他模型结果几乎一样;而沿横向的应力应变曲线在只VAM和IMT在加载和卸载正向以及大部分加载负向有很好的吻合性。(4)不论是轴向还是横向都会出现包辛格效应,而轴向的包辛格比较明显。在一个循环的相同应变下,压应力大于拉应力。在恒定的应变范围[-0.5%,0.5%]下,随着循环次数的增加,其应力不断增加,出现循环硬化的现象。(5)随着温度的升高,两个横轴荷载下的初始屈服面会沿相应等效法向应力方向发生位移;温度变化不会对金属基复合材料弹塑性转换的临界应力产生影响。(6)机械荷载和温度同相变化时:弹性刚度和硬化刚度比反相变化时要小;每次循环应力增加值比反相应力增加值小;屈服强度会减低,但是会增加硼/铝基复合材料的弹性阶段。机械荷载和温度反相变化时,屈服强度会增加,但是会减低硼/铝基复合材料的弹性阶段。本文创新点如下:(1)在解决金属基复合材料(热)弹塑性问题时,从能量角度出发建立广义能量增量泛函,并基于单胞变分渐近均匀化方法建立相应的细观力学模型,将金属基复合材料(热)弹塑性的定解问题转换为泛函求极值问题,避免了传统细观力学模型大多基于不同的特定假设存在的缺陷。在方法应用方面具有一定的创新型。(2)将单胞变分渐近均匀化方法与有限元方法相结合,充分发挥二者的优势,弥补了传统近似方法不能很好预测材料细观结构有效性能的缺点,同时可有效模拟金属基复合材料在不同热/荷载和不同边界条件下的行为。(3)利用波动函数和全局响应通过简单的代数运算重构局部场分布,突破了传统后处理需要引入平均应力应变重构局部场的局限。该理论成果是对细观力学发展的一个突破,为力学学科提供了更广阔的发展前景。
【关键词】：金属基复合材料 变分渐近法 细观力学模型 (热)弹塑性 均匀化
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-14
• 主要符号14-16
• 1 绪论16-34
• 1.1 引言16
• 1.2 金属基复合材料16-22
• 1.2.1 金属基复合材料的分类和发展16-17
• 1.2.2 金属基复合材料应用17-19
• 1.2.3 金属基复合材料的性能19-22
• 1.3 金属基复合材料细观力学研究方法22-23
• 1.4 国内外金属基复合材料研究现状23-31
• 1.4.1 国内金属基复合材料研究现状23-24
• 1.4.2 国外金属基复合材料研究现状24-31
• 1.5 课题的提出及研究意义31-32
• 1.6 本文的主要内容32-34
• 2 理论基础34-52
• 2.1 变分法基础34-38
• 2.1.1 变分原理34
• 2.1.2 欧拉方程34-37
• 2.1.3 拉格朗日乘子法37-38
• 2.2 渐近法基础38-41
• 2.2.1 阶的符号39
• 2.2.2 渐近分析39-40
• 2.2.3 渐近序列和渐近展开式40-41
• 2.2.4 特征长度41
• 2.3 变分渐近法41-46
• 2.3.1 主导项和次要项41-42
• 2.3.2 变分渐近法运算规则42-45
• 2.3.3 含有不确定项的分析45-46
• 2.4 金属基复合材料的基本方程46-51
• 2.4.1 各向异性47-48
• 2.4.2 单对称48-49
• 2.4.3 正交各向异性49-50
• 2.4.4 横观各向同性50-51
• 2.5 本章小结51-52
• 3 金属基复合材料的弹塑性变分渐近细观模型52-76
• 3.1 引言52-53
• 3.2 基本假设53
• 3.3 弹塑性变分渐近细观模型53-58
• 3.3.1 坐标系统53-54
• 3.3.2 总能量增量54
• 3.3.3 位移连续条件54
• 3.3.4 能量泛函54-55
• 3.3.5 变分渐近过程55-56
• 3.3.6 有限元实现56-58
• 3.4 弹塑性行为模拟58-59
• 3.5 ABAQUS有限元模型59-62
• 3.5.1 单胞尺寸59-60
• 3.5.2 边界条件60-62
• 3.5.3 材料属性62
• 3.6 变分渐近细观模型应用流程62-64
• 3.7 算例64-75
• 3.7.1 初始屈服面64-67
• 3.7.2 应力应变曲线67-71
• 3.7.3 滞回曲线71-75
• 3.8 本章小结75-76
• 4 金属基复合材料的热弹塑性变分渐近细观模型76-98
• 4.1 引言76
• 4.2 热弹塑性基本方程76-77
• 4.3 热弹塑性变分渐近细观力学模型77-81
• 4.3.1 坐标系统77
• 4.3.2 广义总势能增量77
• 4.3.3 温度位移连续条件77-78
• 4.3.4 能量泛函78
• 4.3.5 变分渐近过程78-79
• 4.3.6 有限元实现79-81
• 4.4 热弹塑性行为模拟81-82
• 4.5 算例82-96
• 4.5.1 细观热应力场变化82-87
• 4.5.2 温度对初始屈服面的影响87-88
• 4.5.3 温度对应力应变曲线的影响88-92
• 4.5.4 温度对滞回曲线的影响92-96
• 4.6 本章小结96-98
• 5 主要结论与展望98-100
• 5.1 全文总结98-99
• 5.2 本文主要创新点99
• 5.3 进一步研究的展望99-100
• 参考文献100-104
• 致谢104-106
• 附录106-107
• A.攻读硕士期间撰写的主要学术论文及专利106
• B.攻读硕士学位期间参加的科研项目106-107
• C.攻读硕士学位期间参与的重要会议107

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 钟培全;未来五年金属基复合材料增势预测[J];稀有金属快报;2000年12期

2 方峰,谈淑咏,江静华,马爱斌,蒋建清;金属基复合材料概述(1)[J];江苏机械制造与自动化;2000年01期

3 全宏声;金属基复合材料在航天结构中的应用[J];材料工程;2001年12期

4 王镐;金属基复合材料应用前景广阔[J];稀有金属快报;2001年04期

5 张廷杰;铝金属基复合材料[J];稀有金属快报;2001年08期

6 张廷杰;宇航空间中的金属基复合材料[J];稀有金属快报;2001年08期

7 姜世和,王会鹤,袁海波,瞿海锦;金属基复合材料的特性及其技术在工程中的应用前景[J];汽车科技;2002年06期

8 启明;金属基复合材料制造新工艺[J];金属功能材料;2003年05期

9 长征 ,启明;轻质金属基复合材料[J];金属功能材料;2003年06期

10 游志勇,张永忠,赵浩峰;金属基复合材料及其发展现状[J];山西机械;2003年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 秦拴狮;;舰船金属基复合材料发展现状及对策研究[A];中国复合材料学会2004年年会论文集[C];2004年

2 陶进长;那顺桑;杨海霞;;金属基复合材料的发展现状及展望[A];2007年河北省轧钢技术与学术年会论文集（上册）[C];2007年

3 张立斌;海锦涛;;超塑性金属基复合材料制造方法的研究[A];中国科学技术协会首届青年学术年会论文集（工科分册·上册）[C];1992年

4 张国定;;金属基复合材料研究及发展[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年

5 刘江;;金属基复合材料及其界面强度问题[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

6 马宗义;毕敬;刘越;赵明久;张世振;;原位增强金属基复合材料的制备、微观结构及性能[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年

7 王周成;倪永金;唐毅;;电化学方法制备金属基复合材料研究进展[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

8 张荻;;金属基复合材料发展战略[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年

9 刘冀念;;光学级金属基复合材料在空间的应用[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

10 丁伟民;覃继宁;;碳-镁金属基复合材料热挤压初步研究[A];塑性加工技术文集[C];1992年

中国重要报纸全文数据库 前5条

1 记者 马永刚　张建宪;新材料高端产业在江苏崛起[N];中国有色金属报;2010年

2 施萌;金属基复合材料水平连铸方法与设备[N];中国有色金属报;2002年

3 记者 宋世涛;材料科学中的“1+1＞2”[N];上海科技报;2007年

4 ;中葡“先进陶瓷和金属基复合材料”合作研究[N];科技日报;2000年

5 袁志勇;张荻：探索遗态材料之谜[N];科技日报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 娄德元;激光制备碳化物增强金属基复合材料的微结构和性能[D];东北大学;2013年

2 王放;金属基复合材料循环响应和疲劳破坏的理论和模拟[D];上海大学;2008年

3 刘振宇;碳纳米管增强铝基复合材料的机械分散制备及其组织性能研究[D];大连理工大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 卢宇;航空金属基纳米复合材料塑性变形机制研究[D];浙江大学;2016年

2 陈小龙;激光直接沉积成形原位颗粒增强金属基复合材料研究[D];东北大学;2014年

3 李新亮;新型广域温度自润滑金属基复合材料的研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

4 贾晓刚;Mo/Pt/Ag层状金属基复合材料的制备及应用研究[D];天津大学;2014年

5 刘国天;金属基复合材料（热）弹塑性行为变分渐近均匀化细观模型[D];重庆大学;2016年

6 阮绍明;SiC纤维增强钛基复合材料强度分析方法研究[D];南京航空航天大学;2015年

7 孟鑫;原位合成CNTs增强Al-Cu基复合材料及其力学性能[D];天津大学;2014年

8 张军化;金属基复合材料性能预测及微结构拓扑优化设计[D];湘潭大学;2009年

9 张万平;在热/机械循环载荷作用下金属基复合材料的应力场分析[D];重庆大学;2004年

10 姜云鹏;短纤维金属基复合材料与温度有关的宏细观力学行为数值研究[D];西北工业大学;2003年

，

本文编号：726827