颗粒增强复合材料界面开裂力学性能地模拟

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1、!#航空材料学报第0/卷颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟郭然，施惠基，姚振汉（清华大学工程力学系，北京!"""#$）摘要：基于%&’(&提出的)’*’+’,单元有限元方法，构造能够反映颗粒增强复合材料基体和夹杂界面产生脱层的新单元，结合网格重划分技术，模拟含任意随机分布夹杂的复合材料界面开裂的力学性能。为了分析夹杂和基体之间脱层对细观结构演化和宏观性能的影响，采用了临界节点移动技术。编制的有限元程序，能够描述界面逐步脱离过程和应力场的变化。计算实例和普通有限元方法进行比较，证明其精度完全符合要求。关键词：颗粒增强复合材料；夹杂与基体界面；界

2、面脱层；有限元方法中图分类号：-.//0文献标识码：1文章编号：!""232"2/（0""/）"03""!#3"4随着科学和技术的发展，复合材料在一些重因此在建立的分析模型中，对于带有夹杂、空要的工业领域，如航空、航天、核能和电子等部门洞或裂纹等微结构的复合材料必须考虑两方面的得到了越来越广泛的应用。其中颗粒增强金属基因素：一方面是复合材料中每一组分材料的力学复合材料（56778）由于具有很多良好的力学和特性；另一方面是复合材料内部的微结构特征。热学性能受到广泛的重视。增强体的加入可以使目前，考虑这两方面因素的影响，采用的细观力学以屈服应力或极限

3、应力为代表的强度指标大大提分析方法大体可分为两类：一类是基于一种均匀高；可以阻碍位错滑移，大大改善抗蠕变性能。另化理论（&’:’CD+,EFG,’+G&D’*=），在小变形、线弹一方面，夹杂的存在也带来了负面的影响，会降低性理论的框架内，根据微结构特点，修正局部材料材料的延展性、断裂韧性。同时，夹杂的存在也加的形变关系，得到材料整体的等效本构关系；另一速了疲劳裂纹的形成和扩展，相应降低了疲劳寿类是直接运用有限元等数值方法进行模拟。命。这些缺陷限制了颗粒增强复合材料的广泛应由于用有限元法分析带有夹杂等微结构的材用［!!/］。而这种缺陷的产生与微结构

4、的形态特征料时，不仅能充分反映材料的微观结构特性，又能密切相关。全域地分析材料宏观的受力变形情况，近年来受大量实验和数值计算对复合材料的形态特征到关注。有限元的分析手段不断发展，有普通位［!!!!$］（如：体积比、颗粒形状大小、空间分布）、构成材料移元法、多相有限元法（75H97）、多边形［!2，!A］及其界面的特性对变形和损伤的影响进行了分析单元法（5’?=C’+F?9?D:D+G）和)’*’+’,单元研究。9:;<*=及其同事研究得出，颗粒大小、比有限元法（)’*’+’,8D??H,+,GD9?D:D+G7’I3［!4!0"］例和空间分布对损

5、伤的产生具有重要影响［$］。D?）。)’*’+’,单元有限元法（简称)8H97）对任意形状的夹杂或空洞问题计算精度高，速度8’*;,+和>,?@,+(’+的实验研究表明，颗粒增强复合材料的局部损伤强烈依赖于颗粒形态特快，有很好的发展前途。征［2］。一些学者通过大量实验显示了复合材料的本文基于%&’(&提出的)’*’+’,单元有限元方法，构造能够反映颗粒增强复合材料基体和夹形态特征和基体材料特性对断裂和界面脱层的影响［A!#］。研究表明，对氧化铝增强的铝基复合材杂界面产生脱层的新单元，结合网格重划分技术，模拟含任意随机分布夹杂的复合材料界面开裂的料

6、，损伤主要是颗粒脱层，进而产生颗粒间断裂，［B，!"］力学性能。为了分析夹杂和基体之间脱层对细观局部损伤降低了材料延展性和疲劳寿命。结构演化和宏观性能的影响，采用了临界节点移动技术。编制的有限元程序能够描述界面逐步脱收稿日期：0""03"03!B；修订日期：0""03!03/"基金项目：国家重点基础研究规划项目（%!BBB"A2"）；离过程和应力场的变化。计算实例和普通有限元国家自然科学基金项目（2B#4!"00）方法进行比较，证明其精度完全符合要求。对于作者简介：郭然（!BA#3），男，博士研究生，主要从事计颗粒增强复合材料，此方法能够适应的计

7、算规模算力学方面万方数据的研究工作。和结构复杂性远远优于普通的有限元方法。第?期颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟!H!颗粒脱层"#$#%#&单元有限元法单元间的面力连续条件（!**）·!*((）·!*（@）>$!+（!>$!!"!颗粒脱层单元格式的推导夹杂和基体间未脱层处的面力连续条件为了分析夹杂和机体之间脱层对结构微观演（!**）·!*>$!+,化和宏观性能的影响，我们考虑如图!的单元模杂和基体间脱层处的夹杂边缘面力为零型，在夹杂和基体之间未脱层的界面!"上，满’（!((）·!(>$!+,足面力连续条件夹杂和基体间脱层处的基体边缘面力为零

8、（!(*）·!*上）)!+,（在!"’因此，在应力场满足平衡条件的前提下，变分在脱层的界面上，面力为零，即提法和微分提法是完全等效的。对