论文部分内容阅读
本文研究颗粒增强弹塑性基体复合材料力学特性的评估。针对基于Eshelby问题解的平均场方法高估复合材料的弹塑性模量的问题,提出采用割线弹塑性模量替代切线弹塑性模量确定Eshelby张量的方法,结合Mori-Tanaka方法建立了颗粒增强弹塑性基体复合材料力学特性的一种评估方法,并与对代表性体积单元模型进行有限元分析的结果进行了比较。本文将有限元模拟结果作为验证由平均场方法得到的结果的基准。有限元模拟包括材料的简单拉伸、纯剪和拉压循环等载荷作用下复合材料响应特性。参照其他研究者的方法,假设材料在微观上是由圆柱体中嵌有球形夹杂的胞元周期性排布而形成宏观结构,采用不同有限元模型进行分析并对其结果进行比较。单轴拉伸有限元模型包括1/8正方体胞元施加拉伸位移载荷、二维轴对称胞元施加拉伸力/位移载荷、正方体胞元布周期性边界条件时施加拉伸力/位移载荷,结果显示,在弹性阶段三种模型应力应变响应曲线重合一致,但材料达到屈服进入塑性后出现差异,1/8胞元所得结果最低,二维轴对称胞元略低于正方体胞元布周期性边条的结果,但两者塑性趋势较为一致;继拉伸之后对材料进行纯扭转,为对比分析建立两种扭转有限元模型,包括正方体胞元布周期性边条施加剪切力/位移载荷和薄壁圆筒施加扭转角取扭矩再进行转换而得剪切应力-应变响应(为测试材料的受力状态,对两种模型赋纯基体材料属性和相应的边条、载荷,结果显示仅在剪切方向有应力应变值,这表明所建立的纯扭转有限元模型材料受力状态为纯剪切),薄壁圆筒所得结果略高于正方体胞元,但两种模型所得的结果中材料屈服点较基体仅略为提高,并测试了嵌夹杂为不同体积分数时的材料经受纯剪切的响应,结果表明夹杂体积分数的增加会提高材料的剪切模量,但对于材料屈服点和塑性承载力并没有明显增强效应。2、对理论上的研究讨论主要包括:详述及讨论Mori-Tanaka方法中根据增量形式的本构模型计算Eshelby张量时采用的各向同性切线弹塑性矩阵和各向异性刚度矩阵所得的结果,其中各向异性方法所得结果严重偏高而各向同性结果略微“偏软”,虽然各向同性所得结果较好,但缺乏理论解释和物理背景。3、本文对已有的Mori-Tanaka方法进行修正,结合全量形式的本构模型,采用割线模量计算Eshelby张量,这种修正的方法在避免进行各向同性处理的同时也能得到与之前对切线模量进行各向同性化相一致的结果,较有限元结果略低。这种修正的Mori-Tanaka方法也为后继研究提供了一种可行的思路,为了拓展全量本构关系的应用范围,本文进一步对材料进行拉压循环,采用修正的Mori-Tanaka方法计算循环加载时,将卸载点看做新的“原点”,拓展了割线方法的适用范围。文中亦对材料进行了拉扭比例为1:1时的比例加载,类似其他几种应力状态的结果,各向异性所得结果较有限元严重偏高而各向同性化和割线方法所得的结果较好且两者具有高度一致性。