双金属层合复合材料力学性能的数值模拟

论文摘要

近年来,随着计算机技术的迅速发展和有限元数值模拟方法的不断成熟,数值模拟技术被广泛应用于材料科学领域,利用该方法可对复合材料的制备过程以及复合材料的力学性能进行预报,进而为改进制备方法,合成理想力学性能的复合材料提供依据。本文所研究的对象为金属层合复合材料。该类材料以其优越的力学、减振、疲劳等性能在汽车、航空航天、国防等领域显示了广阔的应用前景,受到世界各国的普遍重视。金属层合复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属材料复合制备而成,既保持各层材料原有的性能特征,又使其物理、化学、力学性能比单一材料更加优越,提高了材料的综合性能。本文对金属层合复合材料的制备及应用进行了较详细的介绍,应用有限元数值模拟软件对Al/Fe层合复合材料的力学性能（包括拉伸、弯曲、冲击等）进行了数值模拟研究,得出了如下有益的结果。1.利用有限元软件MSC. Patran、MSC. Nastran、ABAQUS ,能够对Al/Fe层合复合材料的力学性能（拉伸、弯曲、冲击性能）进行数值模拟。与实验方法相比,模拟方法快捷、方便,节省时间和材料成本,模拟结果可信,可以作为材料性能评价和结构设计的依据。2.对Al/Fe层合复合材料进行拉伸数值模拟,当载荷PX =1000N,材料几何尺寸为100mm×20mm×（2+2） mm时,铝侧σmax=53.5MPa ,铁侧σmax=93.3MPa。3.对Al/Fe层合复合材料进行弯曲数值模拟,当PZ = -1000N,材料几何尺寸为500mm×100mm×10mm时,在线弹性范围内,纯铁、纯铝的应力最大值为294 MPa ,最大位移值分别为25.0mm,79.4mm;Al/Fe层合复合材料,在线弹性范围内,结构中最大应力值为280MPa ,位移最大值为47.7mm。4.对Al/Fe层合复合材料进行冲击数值模拟,当材料几何尺寸为100mm×100mm×（5+5） mm ,在中间节点施加v Z=400m/s时,节点5731σmax=2.5 MPa ,节点2666σmax=1.6 MPa ,节点1735σmax=3.7 MPa ,三节点最大位移值为±0.0038mm;节点5721、2666、1735所在边t=0.005s最大应力分别为0.245MPa、0.225MPa、0.735 MPa。5.鉴于组成双金属层合复合材料的两种材料热膨胀系数各异,在存在温差的条件下,复合材料中会产生结构性热应力。本文利用MSC. Nastran有限元分析软件自带的热应力分析功能对双金属层合复合材料的热应力进行了分析,得出在铝侧外表面温度为-30℃,铁侧外表面温度为270℃时,双金属层合复合材料的热应力最大值为111MPa ,铝侧外表面中间部位的热应力为98.6MPa ,位移最大值为0.909mm。运用热应力缓和功能梯度材料（ FGM ）的概念,对铝/铁层合复合材料进行了结构优化设计,分析了成分分布指数,梯度层厚度、过渡层数与热应力的关系,得出当成分分布指数,梯度层厚度、过渡层数分别为p=1.0,h=5.0mm,n=4时,复合材料结构的热应力值与位移值达到最小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及研究的意义
• 1.1.1 本课题研究背景
• 1.1.2 本课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 有限元法在材料设计中的应用
• 1.2.2 有限元法简介
• 1.2.3 有限元法的未来
• 1.2.4 复合材料数值模拟研究中存在的问题
• 1.3 本文研究的目的、内容及技术路线
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 技术路线
• 2 金属层合复合材料的制备及应用
• 2.1 概述
• 2.2 制备方法/技术
• 2.2.1 固—固相复合
• 2.2.2 液-固相复合法
• 2.3 金属层合复合材料的应用现状
• 2.3.1 建筑行业的应用
• 2.3.2 日用产品、医疗卫生行业的应用
• 2.3.3 交通运输行业的应用
• 2.3.4 化工设备方面的应用
• 2.3.5 其他行业的应用
• 2.4 本章小结
• 3 双金属层合复合材料力学性能数值模拟
• 3.1 双金属层合复合材料力学性能模拟理论基础
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 层合板强度的宏观力学分析
• 3.1.3 层合板刚度的宏观力学分析
• 3.2 双金属层合复合材料力学性能数值模拟
• 3.2.1 双金属复合材料单向拉伸性能数值模拟
• 3.2.2 铝/铁层合复合材料悬臂梁弯曲性能数值模拟
• 3.2.3 铝/铁层合复合材料冲击性能数值模拟
• 3.3 本章小结
• 4 双金属层合复合材料热应力分析及结构优化
• 4.1 热应力简介及理论基础
• 4.1.1 热分析基础知识
• 4.1.2 MSC. Nastran 的热传导分析
• 4.2 铝/铁层合复合材料的热应力分析
• 4.2.1 分析模型
• 4.2.2 热应力分析结果
• 4.3 铝/铁层合复合材料的热应力优化设计
• 4.3.1 功能梯度材料的发展、制备方法与应用前景
• 4.3.2 功能梯度材料热应力分析基础
• 4.3.3 铝/铁层合复合材料结构优化
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录