颗粒增强复合材料热性能的数值模拟研究.pdf

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1、第!"卷"第"期太原理工大学学报289:!"+8:"""#$$%年&&月""’()*+,-(./,01),+)+023*40/1(./356+(-(71"+8;:#$$%((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((!""文章编号!&$$<=>?!#"#$$%#$"=$""!=$!颗粒增强复合材料热性能的数值模拟研究潘琼瑶&!贺鹏飞&!郑百林&!钱"怡#!&:同济大学航空航天与力学学院"上海#$$$>###:江南大学机械学院"无锡#&?&##$摘"要!利用5语言编写了能生成随机分布的颗粒增强复合材料几何模型的程

2、序!结合A45商用有限元软件分析了颗粒的体积分数"大小以及分布形态对颗粒增强复合材料热学性能的影响#结果表明$颗粒的分布形态对材料的热膨胀变形及热传导无明显影响!但对热应力有很大影响%颗粒的大小对材料的热膨胀有一定影响%颗粒体积分数的影响和利用混合律的预测结果基本一致#关键词!复合材料%有限元法%颗粒增强复合材料%随机分布%热学性能中图分类号!/]!$&"""文献标识码!,""随着纳米颗粒制备技术的日益成熟"颗粒增强函数和两点距离计算函数%为增加通用性"本程序复合材料将有很大的发展%准确建立材料微结构与包括一维至三维算法"填充百分数分别用线长度)面其宏观性能的定量

3、关系是设计颗粒增强复合材料等积)体积来确定%可以人为设计的新材料的基础%过去"制备T材料以三维模型的生成为例"程序的执行步骤为*根宏观性能测试T微结构表征T改进T重复上述过程据给定的区域边界)填充体积分数和颗粒半径"程序的研究方法取得了许多成果"推动了颗粒增强复合自动计算出颗粒个数"利用,+405中提供的标准材料的发展%但是这种方法有明显的缺点"研制过随机函数随机生成球心的坐标"并通过距离计算函程长"耗时又耗力%计算机技术和数值分析方法的数和边界条件验证函数来判断所得球心位置是否符发展使得我们可以部分克服上述传统方法的缺点"合要求"这样生成的颗粒既不会碰到区域边界

4、"也不即可以利用计算机虚拟试验技术"部分代替传统的会与前面已有的颗粒碰撞%为保证每次生成的位置材料研制和试验过程%利用有限元法对颗粒增强复不同"采用标准库函数PIDBE!$来设置随机种子"用&&=!’合材料研究已有较长历史%但有关研究基本都XJUF!$$的返回值作为随机种子"返回系统当前运行假设颗粒的分布具有一定规律性%这种假设对于研的时间!以秒为单位$"这样由于每次运行此函数的究与材料微结构不敏感性能"如刚度等是合适的"但系统时间不断发生变化"每次产生的随机数是不同对于研究与材料微结构敏感的性能"如强度等则是的%本文计算三维模型为&$UUg&UUg&UU不恰当的

5、%本文目的是建立颗粒随机分布的数值模长方体"用程序生成的典型几何模型如图&所示%型"利用计算机虚拟试验的方法研究含随机分布颗粒的复合材料的热学性能%首先采用5语言编写程序"在基体中随机加入颗粒"然后运用有限元软件A45:+DPXIDB(ADIQ"分析颗粒体积分数)颗粒尺寸以及颗粒分布形态对复合材料热学性能的影响%图&"几何模型示意图!"数值模拟!:""有限元模型!:":!"热膨胀分析!:!"生成随机模型分析颗粒的体积分数)颗粒的大小"以及颗粒分在aJBE8WP下利用;JPMD95OO开发环境"采用布形态对复合材料热膨胀变形的影响%采用一系列5语言编写程序%程序主要

6、由三部分构成*随机数如图&所示的几何模型进行网格划分"得到有限元生成函数#边界条件验证函数#生成颗粒球心坐标的!收稿日期!#$$%=$R=&#"""基金项目!国家自然科学基金资助项目!&$?<#$R?$"""作者简介!潘琼瑶!&>R&T$"女"湖北天门人"硕士生"主要从事固体力学研究"!3=UDJ9$$!#$&$&$$<"PUDJ9:X8BKiJ:FEM:QB:""?太原理工大学学报""""""""""""""""""第!"卷"模型!颗粒增强复合材料的基体材料为"$"&=,9"为了得到颗粒体积分数对复合材料整体热膨胀颗粒为4J5"计算用的材料性能参数如表&所示!系

7、数的影响"对颗粒半径为$:!UU的模型"计算了表&"模拟中采用的材料性能参数体积分数Rh"&$h"&#h三种情况!对颗粒半径为材料弹性模量#7CD泊松比热膨胀系数#cT&$:#UU的模型计算了体积分数分别为"h"Rh""$"&=,9<$$:!#:!g&$T%&$h三种情况!4J5?%$$:&<$:!g&$T%通过计算得到"两种不同颗粒大小的情况都有相同的趋势’颗粒体积分数越大"整体的热膨胀系数分析模型在长度方向的热膨胀变形!边界条件为越小"其原因是铝合金的热膨胀系数大于4J5颗粒"模型一端固定"假设模型材料温度从#%n缓慢变化到颗粒使复合材料的热膨胀变小!<%n"

8、计算模型另