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1、硼酸镁晶须增强铝基复合材料力学性能的研究1、相关定义1.1、分形维数的定义及测定分形维数,又叫分维、分维数,是定量表征分形特征的参数。目前,关于分形的定义众多,其中最有代表性的是Hausdorff维数,介绍如下:对于任何一个有确定维数的几何形体,若用与它维数相同的量度r去度量,其大小401.2、纤维增强水泥基复合材料的定义将两种或两种以上的不同材料按一定方式结合在一起,除了保留原组成材料各自的特性外,还产生一种性能显著优于任何一种组成材料的新材料,此新材料即称为”复合材料(composite)”。
2、复合材料一般包含两个相,一为连续相,称为”基材”(matrix);一为分散相,可以是胶状体、颗粒状或纤维状。我们常用水泥净浆、砂浆或混凝土做基材,统称为”水泥基材”(cementmatrix),当使用纤维做增强材时,所组成的复合材料统称为”纤维增强混合材料”(fiberreinforcedcementcomposite,缩写为FRCC)[7]。美国混凝土协会(ACI)认为[8]:纤维增强混凝土系含有细级料或粗、细级料的水硬性水泥与非连续的分散纤维组成的混凝土,连续的网片、织物与长棒不属于分散纤维类
3、的增强材。我国一般定义为[7]:纤维增强水泥基复合材料是以水泥净浆、砂浆或混凝土做基材,以非连续的短纤维或连续的长纤维做增强材组合成的复合材料(新型纤维增强水泥基复合材料)。因此,可分成水泥净浆或砂浆作为基体的纤维增强水泥和混凝土作为基体的纤维增强混凝土。1.3、聚合物复合材料的基本概念同构成成分巧妙的组合,用以实现各成分在单独状态下所不能发挥的材料性能。从形态结构的角度来说,复合材料是一个连续相与一个或多个分散相的复合,或两个或多个连续相与一个或多个分散相在每个连续相中复合的材料。通常成连续相为
4、基体,分散相为填料,起增强、增韧、增刚或其他功能特性等作用[1]。聚合物复合材料(PMC)是指以聚合物作为基体材料的复合材料,也称为高分子基复合材料[1]。其中像橡胶、合成树脂和合成纤维等聚合物,由于其具有价廉、质轻、耐化学性、易加工成型等一系列特点,从而被广泛地应用于日常生活和工农业生产。然而,对用作工程结构材料或功能性用途材料,单一的聚合物将难以满足要求,如材料韧性、材料强度、耐热、隔热保温、抗静电、隔音消声等。为了拓展聚合物材料的应用范围,一般可以对聚合物进行物理和化学改性处理,其中物理改性
5、主要包括共混改性和填充改性。实践证明,若将粉状或纤维状的金属、非金属、有机或无机材料通过某种方式与聚合物复合,则制成的复合材料可赋予其更加优异的性能,如比强度和比模量高、冲击韧性好,或其他功能性质如尺寸稳定性、隔热保温和隔音消声等[2,3]。1.4、有限元的概念“有限元法”的概念[13]可以追溯到20世纪40年代提出的结构力学中的矩阵算法。开始研究的时候是作为力学分析的数值模拟方法,后来发展成为研究求解离散问题的方法,用于求解偏微分方程边值、初值问题。有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体
6、,用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知5场函数及其导数在单元各节点的数值的插值函数来表达[14,15]。有限元法具有高精度、强功能、涉猎范围广等优点。有限元法对速度边界条件没有限制,可用于不同形状的变形体;可处理塑性成形过程中坯料与模具之间的摩擦、速度敏感以及温度等工艺因素,能够模拟塑性成形的整个过程,获得塑性变形过程中温度场、应力应变场、速度场、金属体积流动等信息。有限元法可以解决工程应用中很多结构分析问题,可处理传热学、电磁学、流体力学和声学的问
7、题[16]。有限元法计算量大,模拟计算时间长,随着计算机技术的高速发展,尤其是计算机处理数据能力的迅速提升,解决了有限元法的耗时、量大的问题。经过多年的发展,关于有限元方法的理论研究日臻成熟,推动科技进步并取得巨大经济效益。有限元法分为弹塑性有限元法和刚塑性有限元法:弹塑性有限元法是在60年代MarcalP.V.和山田嘉昭[17-18]利用Mises屈服条件和Prandtl-Rears弹塑性应力应变关系求解弹塑性问题的数值解并推导出弹塑性刚度矩阵的基础上发展起来的。弹塑性有限元法同时考虑金属材料的
8、塑性变形与弹性变形,弹性区采用胡克(Hooke)定律,塑性区采用普朗特—罗伊斯(Prandtl-Reuss)方程和米希斯(Mises)屈服准则,求解未知量是节点位移增量;刚塑性有限元法是1973年小林史郎和C.H.李[19]提出的。大多数塑性变形量很大,相对来说弹性变形量很小,可以忽略。因而简化了有限元列式和计算过程。与弹塑性有限元法相比,刚塑性有限元法可以用较短的时间计算较大变形的问题。金属在塑性成形过程中一般都是发生大变形,相比于塑性变形部分而言,弹性变形只是极小部分,因此对整
