短纤维增强复合材料的微观结构仿真及热性能数值模拟

摘要

短纤维增强复合材料的微观结构与其热性能密切相关，建立复合材料的微观结构模型和与有限元方法的结合是解决此类数值模拟问题的关键。因此，建立能够较为真实反映复合材料的有限元模型是亟需解决的主要问题。本文通过对AutoCAD进行二次开发生成了复合材料微观结构的三维多纤维单胞模型并导入有限元软件ANSYS，对M124F合金复合材料淬火过程的温度场和应力场进行了数值模拟。
　　 根据短纤维增强复合材料微观结构特点，本文以圆柱体状增强体代表非连续性短纤维，采用随机序列吸附方法，利用C＃语言对AutoCAD软件进行二次开发生成了不同纤维体积分数和不同纤维取向的三维多纤维单胞模型来模拟复合材料的微观结构。纤维的数量、体积分数、长径比分布和取向等参数可任意设定，生成模型中的纤维空间分布形态与真实的纤维预制件较为接近，表明本文的多纤维单胞模型生成程序是可行的。将计算机仿真微观结构转化为数值形式的文件，可以作为短纤维增强复合材料加工过程数值仿真和细观力学计算的微观结构模型。
　　 在生成不同体积分数、不同取向三维多纤维单胞模型的基础上获得了二维截面，并进行了德莱塞定律对短纤维复合材料适用性的验证，结果表明，当短纤维复合材料纤维取向趋于一致时，不适合用增强相的面积分数代替体积分数，此时德莱塞定律己不适用。
　　 为了体现纤维的随机取向以及避免纤维太少带来的偶然性，同时又能节约计算机资源，本研究淬火过程的数值模拟采用含有10根纤维的多纤维单胞模型，热应力分析采用间接耦合。分析表明：复合材料淬火过程中，基体越靠近表面温度梯度越大，复合材料表面最早出现温度梯度峰值，随着远离表面，达到温度梯度峰值的时间随之延迟。淬火冷却过程中表面金属都经历从拉应力转变为压应力的过程，心部金属都经历从压应力转变为拉应力的过程，最终呈现表面压应力、心部拉应力的空间分布特征。由于纤维和基体热膨胀系数不同，淬火结束后心部纤维的等效应力远大于基体表面，复合材料模型的最大等效应力是纯基体模型的13倍。