两种复合材料微观力学模型的热残余应力和热膨胀系数分析
发布时间：2021-12-16 14:04
复合材料的热力学性能一直是人们研究的方向,其中热残余应力和热膨胀系数研究的最多。本文通过建立不同的细观模型,分别研究了纤维增强复合材料的热残余应力和三相颗粒增强复合材料的热膨胀系数,并就其影响因素进行了详细的分析。本文针对求解纤维增强复合材料的热残余应力,建立了经典的双圆柱细观力学模型。复合材料在温度变化的环境下,基体和纤维会随着温度的变化膨胀伸长,产生相应的热应力,基体和纤维的热膨胀系数的不同使得它们在膨胀过程中会产生一个位移差,但是在实际过程中并没有产生这样的一个位移差。这是因为基体与纤维之间在变化的过程中由于粘结作用而产生的一个相互作用力,这个作用力的存在使得基体与纤维能够在膨胀过程中保持着粘合状态。基于胡克定律,得到应力应变的基本方程。对于弹性基体,基体内的剪应力的大小与纤维的距离成反比,得到内部轴向剪应力方程。考虑基体与纤维的未脱粘的情况,得到纤维与纤维的外围基体的接触面的变形协调条件。由于残余应力是一种内应力的平衡,可得到平衡公式,最终求得热残余应力表达式。本文提出了一种预测复合材料热膨胀系数的等效细观力学方法,并且建立了三相颗粒增强复合材料的模型。相比于其他的分析模型,本...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mori-Tananka微观
燕山大学工学硕士学位论文-10-用来解决材料内部的平均应力，在某种程度上其计算了夹杂相在复合材料中的相互作用，并且计算简单，所以历来广泛应用于求解非均质复合材料的性能。a）多相椭球混杂b）单相椭球夹杂图2-2Mori-Tananka微观力学模型体积单元示意图在用Mori-Tanaka方法分析问题时，假设存在一无限大的基体，并且在基体中镶嵌着沿单向对齐的椭球型夹杂，夹杂颗粒沿着长轴方向对齐，复合材料细观力学模型如图所示。并且在远场有均匀应力0ij作用在复合材料的边界上，如图2-2所示。此时我们假设存在如图2-3所示的这样一个细观力学模型，其形状大小与图2-2所取单元相同，并且所取单元的基体材料属性与假设的模型的材料属性相同。观察图2-3，模型边界同样受到均匀应力0ij的作用，为求得等效材料的应力应变状态，做如下计算，首先等效材料的本构关系如下式所示：图2-3等效材料细观力学模型000ijijklklL（2-10）
第2章复合材料细观力学研究原理-13-力在基体中传递，基体将剪切应力通过界面从基体传递到纤维上。应用基于剪滞法发展而来的应力传递理论，来解决基体与纤维之间的界面应力传递问题。根据剪滞理论，在复合材料中取一个纤维的微观单元，其半径为0r，长度为dz，微元如图2-4所示。基体外部收到均匀应力的作用，在纤维轴向存在轴向应力f，纤维与基体的接触面上靠近纤维一侧存在剪切应力e。图2-4纤维微元模型示意图由图2-4所示，可得到纤维微元上的应力平衡方程：220002feffrrdzrd（2-20）解（2-20）式可得：02feddzr（2-21）式中f——纤维轴向应力；e——纤维与基体界面处剪应力。对式（2-21）进行积分，可以得到纤维微元上的轴向应力与剪切应力关系式：0002=zffedzr（2-22）式中f0——纤维的端部应力。在实际情况下，考虑复合材料中的纤维端部情况，由于纤维与基体接触面积太小，考虑到纤维端部受力以及制备工艺问题，可能会导致基体和纤维脱粘情况的产
【参考文献】：
期刊论文
[1]短纤维取向对短纤维/天然橡胶复合材料性能的影响研究[J]. 边慧光,于本会,田晓龙,汪传生,杨洪于. 橡胶工业. 2018(02)
[2]界面应力传递重新分析及Cohesive模型参数的确定[J]. 王坎盛,沈珉,于济菘. 材料科学与工程学报. 2017(06)
[3]含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料的损伤[J]. 杨慧,么娆. 复合材料学报. 2018(04)
[4]石墨烯热膨胀系数的尺寸效应研究[J]. 李辉,阿拉木斯,蔡勇,刘海东,何琦. 塑料工业. 2017(02)
[5]颗粒增强复合材料非理想界面刚度和有效模量的理论估计[J]. 沈珉,郝培. 复合材料学报. 2016(01)
[6]大模量比短纤维增强复合材料应力分布预测[J]. 张斌,顾伯勤,宇晓明. 南京工业大学学报(自然科学版). 2015(02)
[7]Determination of thermal expansion coefficients for unidirectional fiber-reinforced composites[J]. Ran Zhiguo,Yan Ying,Li Jianfeng,Qi Zhongxing,Yang Lei. Chinese Journal of Aeronautics. 2014(05)
[8]短纤维取向对其橡胶复合材料性能的影响[J]. 汪传生,张德伟,刘华侨,沈波,李绍明,边慧光. 特种橡胶制品. 2014(03)
[9]含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数[J]. 付云伟,刘协权,倪新华,程兆刚. 中国机械工程. 2012(10)
[10]考虑夹杂间相互影响的颗粒增强两相复合材料等效热膨胀系数预测[J]. 陈康,许希武. 南京航空航天大学学报. 2011(06)
硕士论文
[1]纤维增强复合材料热膨胀问题的二元模型[D]. 黄肖峰.浙江大学 2016
[2]短纤维增强金属基复合材料热残余应力及其对力学行为的影响[D]. 张娟.西南交通大学 2002
本文编号：3538266
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Mori-Tananka微观
燕山大学工学硕士学位论文-10-用来解决材料内部的平均应力，在某种程度上其计算了夹杂相在复合材料中的相互作用，并且计算简单，所以历来广泛应用于求解非均质复合材料的性能。a）多相椭球混杂b）单相椭球夹杂图2-2Mori-Tananka微观力学模型体积单元示意图在用Mori-Tanaka方法分析问题时，假设存在一无限大的基体，并且在基体中镶嵌着沿单向对齐的椭球型夹杂，夹杂颗粒沿着长轴方向对齐，复合材料细观力学模型如图所示。并且在远场有均匀应力0ij作用在复合材料的边界上，如图2-2所示。此时我们假设存在如图2-3所示的这样一个细观力学模型，其形状大小与图2-2所取单元相同，并且所取单元的基体材料属性与假设的模型的材料属性相同。观察图2-3，模型边界同样受到均匀应力0ij的作用，为求得等效材料的应力应变状态，做如下计算，首先等效材料的本构关系如下式所示：图2-3等效材料细观力学模型000ijijklklL（2-10）
第2章复合材料细观力学研究原理-13-力在基体中传递，基体将剪切应力通过界面从基体传递到纤维上。应用基于剪滞法发展而来的应力传递理论，来解决基体与纤维之间的界面应力传递问题。根据剪滞理论，在复合材料中取一个纤维的微观单元，其半径为0r，长度为dz，微元如图2-4所示。基体外部收到均匀应力的作用，在纤维轴向存在轴向应力f，纤维与基体的接触面上靠近纤维一侧存在剪切应力e。图2-4纤维微元模型示意图由图2-4所示，可得到纤维微元上的应力平衡方程：220002feffrrdzrd（2-20）解（2-20）式可得：02feddzr（2-21）式中f——纤维轴向应力；e——纤维与基体界面处剪应力。对式（2-21）进行积分，可以得到纤维微元上的轴向应力与剪切应力关系式：0002=zffedzr（2-22）式中f0——纤维的端部应力。在实际情况下，考虑复合材料中的纤维端部情况，由于纤维与基体接触面积太小，考虑到纤维端部受力以及制备工艺问题，可能会导致基体和纤维脱粘情况的产
【参考文献】：
期刊论文
[1]短纤维取向对短纤维/天然橡胶复合材料性能的影响研究[J]. 边慧光,于本会,田晓龙,汪传生,杨洪于. 橡胶工业. 2018(02)
[2]界面应力传递重新分析及Cohesive模型参数的确定[J]. 王坎盛,沈珉,于济菘. 材料科学与工程学报. 2017(06)
[3]含脆性界面相的颗粒增强金属基复合材料的损伤[J]. 杨慧,么娆. 复合材料学报. 2018(04)
[4]石墨烯热膨胀系数的尺寸效应研究[J]. 李辉,阿拉木斯,蔡勇,刘海东,何琦. 塑料工业. 2017(02)
[5]颗粒增强复合材料非理想界面刚度和有效模量的理论估计[J]. 沈珉,郝培. 复合材料学报. 2016(01)
[6]大模量比短纤维增强复合材料应力分布预测[J]. 张斌,顾伯勤,宇晓明. 南京工业大学学报(自然科学版). 2015(02)
[7]Determination of thermal expansion coefficients for unidirectional fiber-reinforced composites[J]. Ran Zhiguo,Yan Ying,Li Jianfeng,Qi Zhongxing,Yang Lei. Chinese Journal of Aeronautics. 2014(05)
[8]短纤维取向对其橡胶复合材料性能的影响[J]. 汪传生,张德伟,刘华侨,沈波,李绍明,边慧光. 特种橡胶制品. 2014(03)
[9]含强约束界面相共晶复合陶瓷的有效热膨胀系数[J]. 付云伟,刘协权,倪新华,程兆刚. 中国机械工程. 2012(10)
[10]考虑夹杂间相互影响的颗粒增强两相复合材料等效热膨胀系数预测[J]. 陈康,许希武. 南京航空航天大学学报. 2011(06)
硕士论文
[1]纤维增强复合材料热膨胀问题的二元模型[D]. 黄肖峰.浙江大学 2016
[2]短纤维增强金属基复合材料热残余应力及其对力学行为的影响[D]. 张娟.西南交通大学 2002
本文编号：3538266
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