颗粒增强金属基复合材料动态力学性能预测方法研究

摘要

本文的主要任务是用计算细观力学的方法模拟研究分离式霍普金森压杆的实验过程，并构建一种采用二维多颗粒随机模型来预测PRMMCs动态力学性能的方法。这种二维多颗粒随机模型可以考虑应变率、颗粒体积含量、颗粒尺寸及颗粒形状等因素对PRMMCs动态力学性能的影响。该方法的主要步骤如下：首先在金属基体随机生成颗粒，并剖分网格，构建试样的数值模型；随后分别对基体和陶瓷颗粒附加合适的材料模型，陶瓷颗粒选用Johnson-Holmquist(JH-21损伤模型，最后用有限元软件完成对SHPB实验的模拟。为了证明预测方法的合理性，论文还用SHPB实验对PRMMCs动态力学行为的预测方法进行验证。基于以上工作，可以大致得到如下结论： 1、数值预测表明：一方面，应变率效应对PRMMCs流动应力有着显著的影响，应变率越大，对应的流动应力就越大，另一方面屈服强度和流动应力随着应变率的变化呈非线性变化。实验结果和数值预测的结果是一致的。 2、数值预测表明：颗粒含量的影响非常显著，不同体积含量，在同等应变率下对应的应力应变曲线差别非常明显。颗粒含量越大，PRMMCs的增强效果就越明显，特别是材料的屈服强度。实验结果和数值预测的结果是一致的。 3、数值预测表明：在同等体积含量下，颗粒尺寸越小，对应的屈服强度和流动应力就越高，并且屈服强度和流动应力随颗粒尺寸变小呈非线性增长，实验结果显示颗粒大小对PRMMCs没有规律性影响，可能和试样的烧结缺陷有关系。 4、关于颗粒形状对PRMMCs的动态力学行为的影响，数值预测结果显示：增强效果不是简单的受到颗粒形状的影响，还与颗粒和基体的应力损伤程度密切相关。颗粒尖角和过大的纵横比都更容易引起PRMMCs的应力集中，更容易产生颗粒的损伤。 5、实验对比结果表明：把实验测得的材料参数用于数值模拟，观察颗粒含量对动态应力应变的影响，数值预测结果和实验可以比较好的吻合。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1颗粒增强金属基复合材料简介

1.1.1 PRMMCs的组成

1.1.2 PRMMCs的特征以及应用

1.2材料的动态力学行为

1.3 PRMMCs的历史

1.4 PRMMCs的力学性能及预测方法的研究进展

1.5选题依据

1.6本文的研究意义和主要内容

第2章一维弹性波理论和SHPB工作原理

2.1一维应力波理论

2.2 SHPB装置简介

2.2.1装置的工作原理

2.2.2压杆设计和基本方程的推导

2.2.3透射波和反射波起点的确定

2.2.4应变片灵敏度的标定

第3章PRMMCS动态力学性能数值预测方法及研究

3.1 LS-DYNA简介

3.2PRMMCs动态力学行为预测方法的有限元模型

3.2.1 Hopkinson实验系统的有限元模型

3.2.2颗粒增强复合材料的随机细观几何模型和数值模型

3.2.3材料模型

3.2.4数值结果的处理方法

3.3数值模拟的结果和讨论

3.3.1应变率影响的预测

3.3.2颗粒体积含量的影响

3.3.3颗粒尺寸影响的预测

3.3.4颗粒形状影响的预测

3.4本章小结

第4章预测方法的验证实验

4.1验证实验的设计

4.2 SiCp/Al复合材料的制备

4.2.1 SiC颗粒

4.2.2 Al粉

4.2.3试样的打磨和试样切割

4.3试验结果与讨论

4.3.1密度测定

4.3.2试样的微观结构

4.3.3准静态实验结果与讨论

4.3.4动态实验结果与讨论

4.4预测结果和实验的对比

4.5本章小结

第5章结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

致谢