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颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状

颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状/邵军超等 111

颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状3

邵军超,刘 越

(中国科学院金属研究所,沈阳110016)

  摘要  从细观尺度和宏观尺度两个方面分析总结了国内外颗粒增强金属基复合材料有限元模拟研究现状。介

绍了基于几何建模的周期性单胞模型、基于实际微观结构的有限元模型及宏观尺度模拟几个方面的内容,并对目前该领域存在的问题及今后的研究方向进行了分析总结。

关键词  颗粒增强 金属基复合材料 有限元 力学行为

AReviewofFiniteElementSimulationsonthefor

ParticlesReinforcedMetalSHAOJ(InstituteofMetal,,Shenyang110016)

Abstract  Aofparticlesreinforcedmetalmatrixcompositeshasbeensum2

marizedfrommesoscalearticle.Thecontentsofgeometry2basedperiodicunitcellmodels,mi2crostructure2and2scalesimulationareintroducedandtheproblemsandinvestigationprospectsaregeneralizedfinally.

particlesreinforced,MMCs,finiteelement,mechanicalbehaviorKeywords  

 

0 前言

颗粒增强金属基复合材料作为一种具有优越力学性能并具

有较好二次加工性能的先进结构材料,已经引起人们的广泛关注,在航空航天、武器系统及汽车制造等领域得到应用[1]。为了能够更好地研究颗粒增强金属基复合材料的力学行为,有效地指导该材料的加工变形工艺制定及模具设计,从20世纪80年代起,国外就开始对颗粒增强金属基复合材料的微观结构力学行为进行了计算机有限元模拟[2~7]。近几年国内有关高校也相继展开了对短纤维或颗粒增强金属基复合材料力学行为的有限元模拟研究[8~11]。

从目前国内外的研究报道看,有关颗粒增强金属基复合材料力学行为的有限元模拟主要分为细观尺度的理论分析和宏观尺度的数值计算两种方法。本文主要对目前国内外有关该问题的研究方法、特点及研究进展情况进行简要的综述,并对存在的问题及今后的研究方向进行分析总结。

为进行模拟研究[2~7]。这个比组分材料尺寸大而比宏观材料尺寸小的体积单元,在外载荷作用下,代表体积单元内的场物理量的平均值就等于复合材料内的体积平均值[3,4]。因此,建立一个能够正确描述复合材料细观结构模型,依此来研究在外载荷作用下复合材料内部的场物理量,是目前被普遍采用的一种方法。

1.1 基于几何建模的周期性单胞模型

在代表性体积单元描述复合材料细观结构的模型中,最有代表性和被普遍应用的就是周期性单胞模型。该模型理想化了细观结构,假设增强体颗粒均匀分布在合金基体中,整个材料是由这样的单胞周期性排列组成。虽然根据研究目的不同国内外学者建立了许多不同的单胞模型,但究其根本主要是在单颗粒增强轴对称单胞模型和多颗粒随机分布三维立方单胞模型这两种模型上进行修整[4~14]。

1.1.1 单颗粒增强轴对称单胞模型

该模型假设单胞中只含有一个位于单胞对称轴中心位置的增强体颗粒;根据周期性整齐排列条件,单胞的形状为六棱柱形。为了分析方便,在分析时简化单胞为圆柱体;颗粒的几何形状一般为球体、椭球体或圆柱体;增强体的体积分数用颗粒占单胞的体积百分比来表示;根据轴对称性条件,可将三维模型转化为平面问题分析,如图1所示[2,10,12,14]。

除了界面脱粘等失效分析外,一般假设颗粒和基体的界面结合是理想的,在变形过程中颗粒是完好无损的。在计算模型

1 细观尺度理论分析的有限元模拟

由于复合材料中增强体颗粒与整个复合材料器件相比非常

小(一般几到十几微米),而且形态不规则,分布又呈现随机性,因此到目前为止,对颗粒增强金属基复合材料力学行为的研究还主要停留在细观力学模拟的层面上。就目前的研究报道看,对该问题的研究通常是将常规的有限元法应用于复合材料细观结构的代表性体积单元上,并对该单元在载荷作用下的力学行

 3国家“973”重点基础研究发展计划项目(2006CB605306) 邵军超:男,1981年生,硕士生,研究方向为颗粒增强金属基复合材料热变形模拟 刘越:男,通讯作者,1960年生,研究方向为金属基复合材料、金属陶瓷材料 Tel:024223971749 E2mail:yliu@http://doc.guandang.net

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