单向纤维增强复合材料力学性能的数值模拟的研究.pdf

摘要摘要纤维增强复合材料因具有较高的比强度、比模量和耐疲劳、耐腐蚀等优点而受到航空航天、汽车、船舶以及体育器材等行业的重视并被广泛应用。随着计算机技术的发展和数值方法理论的逐步完善,数值模拟被广泛应用于复合材料力学性能的研究中。它避免了实验高成本、耗时等缺点,同时也脱离了解析方法解决问题局限性的限制。本文首先通过数值模拟的方法模拟了单向纤维增强复合材料中纤维的拔出过程。随后,又通过数值模拟的方法研究了材料从固化完成后的温度冷却至室温的过程。其中包括不同纤维体积含量对冷却完成后材料中的热残余应力分布的影响、无机刚性纳米颗粒改性基质对纤维和基质问粘结强度及热残余应力的影响、不同材料无机刚性纳米颗粒对材料冷却过程中纤维和基质问脱粘和残余应力的影响。通过数值模拟,得出了纤维拔出过程中纤维拔出位移和施加在纤维上的载荷的关系曲线。通过纤维体积对材料中热残余应力影响的数值模拟得出了同一纤维体积含量、不周纤维体积含量模型中的热残余应力的分布,并找出了纤维体积含量对冷却过程中形成的热残余应力分布规律的影响。而在纳米颗粒改性基质的数值模拟中发现,通过无机刚性纳米颗粒对基质进行改性能够明显提高材料的强度,而且随着无机刚性纳米颗粒杨氏模量的提高而有所提高。通过不同模型冷却过程的模拟发现,纤维和基质的脱粘都是从材料的端部发生的,而且是由于纤维和基质问的沿纤维长度方向的切应力造成的。通过纤维增强复合材料的数值模拟研究,深化了纤维和基质问粘结特性和脱粘行为的认识;加深了不同材料模型冷却完成后热残余应力分布规律的了解。这对于进一步提高纤维和基质问粘结强度、降低或改变材料中热残余应力的分布、提高材料的整体强度、扩展其应用领域都有着重要的实际意义。关键词:纤维增强,数值模拟,脱粘,强度 ABASTRACT ABASTRACT More and nlore attention from aerospace、automottve、marine and spots equipment industry has being paid tofiber-posites forhigh specific strength,specific modulus,corrosion resistance and fatigue the development puter technology and the gradual improvement ofnumerical methods theory,numerical simulation areused tostudy materials,for thedisadvantages,such ashighcost、time-consuming,are thesame time,it escapes from thelimitation thatproblems Can besolved with analytical method are limited. The pull—out process of single fiber in unidirectional fiber-posites issimulated with numerical simulation cooling from thetemperature aftercuring toroom temperature isalsoinvestigated by numerical effectoffibervolume fraction on thermal residual stress distribution、the effectof matrix modified anic rigidnano—partic/es on the bonding strength between fiberand matrix and thedistribution ofthermal residual stress、the effectofmatrix modified anic rigidnano—particles on thebonding strength between fiberandmatrixandthedistribution ofthermal residual stress are included. The curve oftoad applied on thefiber versus thedisplacement of thefiber along the longitude direction isobtai