第9卷第10期2009年5月科学技术与工程Vol19No110May2009167121819(2009)1022724204ScienceTechnologyandEngineeringZ2009Sci1Tech1Engng1一般工程科学颗粒增强复合材料随机分布模型的数值模拟单豪良郭荣鑫夏海廷杨邦成何天淳(昆明理工大学建筑工程学院,昆明650093)摘要利用三维有限元方法,通过建立颗粒随机分布胞体数值分析模型,对颗粒复合材料做模拟计算。在单向拉伸荷载作用下,讨论模型中vonMises应力的分布规律以及弹性模量的数值模拟。与实验结果相比较,发现颗粒随机分布胞体模型弹性模量与实际情况符合较好,颗粒内高应力区域与金相显微镜下的颗粒微裂纹吻合较好。关键词颗粒增强复合材料随机分布模型微裂纹弹性模量中图法分类号TB333;文献标志码A准确而有效地预测颗粒增强复合材料的机械径来改变复合材料中颗粒的体积分数,而颗粒增强性能,包括其强度、刚度、延展性以及热膨胀系数复合材料的合成过程是通过改变夹杂物与基体材等,对于材料设计和应用是十分必要的。已有的有料的组分,即颗粒的数量来改变复合材料中夹杂的限元法数值模型主要包括圆柱体和立方体单位胞体积分数。目前,尚未发现用多颗粒随机分布胞体体模型(unitcellmode1),Guild[1]用圆柱体模型预模型来分析颗粒增强材料的弹性模量以及研究颗测了聚乙烯羟磷灰石复合材料的性能。Balac[2]用粒模型内部的应力分布情况。立方体单位胞体模型模拟了聚乙烯丙脂羟磷灰石复合材料的应力场分析。而圆柱体单位胞体是对1数值模型实际的颗粒增强复合材料的一种简化模型[3],Zhang[4]Jiang2Tao等建立了随机分布的平面模型,研究预一般来说,分析模型基于两种分布假设:均匀测了复合材料动力学性能。对于规则分布的球形颗粒周期性规则分布和完全随机分布。结合这两颗粒增强复合材料六棱柱和立方体单位胞体模型,种假设,假设颗粒增强复合材料是基于胞体的重复是对实际情况的较真实的反映。近年来尽管对立,排列,故选取胞体为研究对象。由于在复合材料方体单位胞体模型和六棱柱单位胞体模型有一些中,颗粒是随机分布的,为了模拟这种随机性,我们研究进展,但对颗粒增强复合材料而言,颗粒的分假设在胞体内部,颗粒是随机分布的。这样,既简布往往是杂乱无章的随机分布,而颗粒的直径往往化了颗粒增强复合材料计算模型的计算量,又能模也是在某一平均值下符合正态分布的。但迄今为拟颗粒分布的随机性。这种随机分布模型,通过适止对于单位胞体模型(不管是圆柱体、立方体还是,当的边界条件引入相邻胞体之间的相互作用即可六棱柱模型)的分析,无一例外地通过改变颗粒直反映复合材料的机械性能。随机颗粒分布模型如图1所示。胞体为边长100μm的立方体。颗粒的2009年1月5日收到国家自然科学基金(10462002)和南省应用基础计划项目直径为(7～12.6)μm,符合平均直径为10μm的正(2004A0011M,2006A0002Z,2005py01238)资助态分布。通过改变颗粒的数量改变夹杂物的体积第一作者简介:单豪良(1983—),男,浙江绍兴人,硕士研究生,研分数。究方向:复合材料力学及其应用。E2mail:hlshan1983@sina.com。为了研究随机分布模型所预测的弹性模量与10期单豪良,等:颗粒增强复合材料随机分布模型的数值模拟2725实验测量是否一致,做如下的假设:(a)颗粒和基体表面的位移量,u1、u2、u3分别为单元胞体在x、y、z只发生线弹性小变形;(b)颗粒、基体为各向同性材三个方向的位移。料,由于颗粒随机分布,在宏观意义上,复合材料为各向同性材料;(c)颗粒为均匀球体,颗粒直径符合3应力场分布正态分布;(d)颗粒之间无相互挤压,在给定的载荷范围内,各相材料不发生破坏;(e)颗粒和基体之间对胞体进行切片以研究其内部的应力场分布,粘合完好,不产生界面脱粘。现以铝基碳化硅颗粒图2是边长为100μm颗粒体积分数15%的单元胞增强复合材料为研究对象,6066铝和夹杂物碳化硅体内部的vonMises应力分布。图3是颗粒增强复的材料性能如表1所示。数值分析采用通用有限元合材料拉伸实验远离断口区域的金相显微镜照片。软件包ANSYS。从图2可以看出,试件受到竖直方向的拉力,在基体中,颗粒的上下边缘的基体中,应力较大,而在颗粒表1材料性能水平方向上应力较小;在增强颗粒中,增强项中的E/GPavE/GPav1122应力较基体中的应力要大得多,颗粒中应力最大处69.80.34500.27往往处于颗粒的边缘;当颗粒密度较小,颗粒间的距离较大,颗