涂层蜂窝结构和纤维增强复合材料的均匀化方法有限元模拟

摘要

蜂窝材料作为一类重要的多孔材料，由于其具有优异的机械力学性能被广泛应用在各行各业。但是由于传统蜂窝材料自身结构的局限性，使得蜂窝材料在应用方面有着很大的局限性。为了打破这一局限性，本文将通过在蜂窝结构表面添加涂层来改善传统蜂窝多孔结构材料的整体性能。然而由两种或两种以上的异质材料所制成复合材料的性能不仅取决于各组分的结构和性能，而且在相当程度上受到界面性能的影响。由于在研究涂层蜂窝结构时没有考虑这种界面效应，所以本文先探索性的研究了界面性能对纤维增强复合材料整体宏观性能的影响。具体研究的内容和结果包括以下几个方面：
　　(1)本文采用均匀化有限元方法，建立了三维(3D)代表体积单元(RVE)单胞模型，并进行了用户子程序代码的编写。
　　(2)分别建立了正方形、三角形、圆形和正六边形孔型的RVE模型。假定这几种孔型的孔隙率保持一致，预测了它们的等效弹性性能参数。通过对这四种不同孔型结构的蜂窝材料进行分析，我们发现正六边形孔型的蜂窝结构材料的面内剪切性能最优。
　　(3)在正六边形蜂窝多孔结构材料的表面添加涂层，通过均匀化方法成功预测了其等效弹性性能参数，并与解析值进行对比分析。数值与解析结果均表明：基于均匀化有限元模拟所得到的结果与解析公式所得到的数值相吻合。随着涂层厚度的增加，面内弹性模量以及轴向弹性模量均随之增加；当涂层厚度达到某一个数值时，其面内和轴向等效模量会超过实体材料的模量。
　　(4)建立了纤维增强复合材料的均匀化三维RVE模型，在模型中分别采用了周期性或者均匀化边界条件。先模拟计算了单向纤维增强陶瓷基复合材料(FRCs)的宏观等效弹性模量并与理论结果进行了对比验证。同时引入内聚力模型来分析在纤维与基体的不完美粘结的情况下界面性能对等效弹性常数和抗拉强度的影响。结果表明：完美粘结界面情况下，采用不同的边界条件所计算的纤维增强陶瓷宏观等效弹性模量与其理论结果相一致；与界面强度相比，界面刚度和断裂能对复合材料的抗拉强度有显著影响；复合材料的纵向抗拉强度几乎独立于界面性能，并且随纤维体积分数的增加而急剧增加。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2多孔材料的发展历程

1.3多孔蜂窝材料的优缺点

1.4国内外研究现状

1.5本文研究目的和内容

第2章 不同孔型性能预测

2.1引言

2.2均匀化理论

2.3 Python基于abaqus实现

2.4 周期性边界条件和分析步设定

2.5 研究问题描述

2.6本章小节

第3章 涂层对蜂窝力学性能的影响

3.1引言

3.2研究问题描述

3.3结果讨论分析

3.4本章小节

第4章 预测界面性能对复合材料整体力学性能影响

4.1引言

4.2有限元模型

4.3结果分析

4.4界面性质对宏观强度的影响

4.5本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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