镁基纳米复合材料高温动态拉伸及断裂模拟

摘要

镁基纳米复合材料由于具有最高的强度/重量比，良好的机械加工性能，相对较高的强度、较好的室温塑性和韧性以及具有镁合金材料不可比拟的可设计性等特点，因此在军工、交通运输、航天工程及电子封装等领域备受欢迎。工程结构中的材料一般都是在非常苛刻的条件下进行工作的，比如高温、高应变率，因此，研究在高温高应变率作用下纳米混杂增强镁基纳米复合材料的力学性能和断裂损伤具有理论价值和工程实用意义。
　　本文采用计算细观力学方法，通过Python程序建立了复合材料代表体单元(RVE)模型，数值分析了热挤压纳米混杂增强和单一纳米颗粒增强AZ91D镁合金的高温动态力学性能，并将得到的结果与试验进行了比较。结果表明，纳米颗粒混杂比以及纳米混杂体的体积分数对复合材料的动态力学性能有重要的影响。不同混杂比下其动态屈服应力以及其流动应力不同;混杂增强复合材料的力学性能随同增强相的体积分数增加逐渐增加，其流动应力和屈服应力都相应的增加。在高温动态作用下，纳米混杂增强镁基复合材料又体现出正应变率强化和温度软化效应。又将混杂增强镁合金复合材料与单一增强体增强的镁合金复合材料进行了对比，发现混杂增强增镁合金复合材料的力学性能优于颗粒增强镁合金复合材料。为了分析复合材料在高温动态载荷下增强体与镁基体的界面脱粘和断裂，采用了有限厚度的cohesive单元来代替颗粒与基体之间的界面。结果发现，颗粒增强镁基复合材料的损伤断裂起始于界面脱粘，随后基体出现裂纹和裂纹扩展，直至断裂。增强相与基质之间的界面结合强度对复合材料的界面损伤脱粘和复合材料的整体破坏也有影响，界面结合强度越大，界面脱粘就越困难，界面结合强度越小，越容易脱粘。不同体积分数、不同体积混杂比都会对复合材料的断裂性能产生影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 混杂增强镁基复合材料力学性能研究进展

1．3 单一纳米颗粒和碳纳米管增强复合材料力学性能研究进展

1．4 复合材料损伤与断裂力学性能研究进展

1．5 基于计算细观力学的复合材料动态本构行为分析

1．6 本文研究的主要内容与创新点

2 镁基纳米混杂增强复合材料高温动态力学性能的数值模拟

2．1 有限元模型

2．1．1 三维代表体单元(RVE)模型的建立

2．1．2 材料属性

2．1．3 内聚力模型

2．1．4 边界条件和载荷

2．1．5 网格划分

2．2 计算结果和分析

2．2．1 增强体体积分数以及体积混杂比对复合材料力学性能的影响

2．2．2 温度变化对复合材料力学性能的影响

2．2．3 应变速率对复合材料力学性能的影响

2．3 本章小结

3 纳米颗粒增强镁基复合材料高温动态力学性能

3．1 有限元模型

3．2 材料属性

3．3 载荷和边界条件

3．4 网格划分

3．5 计算结果和分析

3．5．1 不同单一增强体增强复合材料的力学性能

3．5．2 不同体积分数单一增强体复合材料的力学性能

3．5．3 不同应变率和温度对颗粒增强复合材料的影响

3．5．4 不同界面结合强度对颗粒增强复合材料力学性能的影响

3．6 本章小结

4 纳米混杂增强镁合金复合材料的变形和断裂行为

4．1 有限元模型

4．2 边界条件、约束的施加及求解

4．3 计算结果分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢