杂交反演分析方法在复合材料界面力学参数识别中应用

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1、现代数学和力学（ＭＭＭ－ｉＸ）杂交反演分析方法在复合材料界面力学参数识别中的应用＋亢一澜林雪慧王燕群（天津大学机械学院，天津３０００７２）摘要本文提出了一种结合真实微结构实验测试结果的杂交反演方法．它将实验、反演分析、有限元及遗传算法结合起来，采用非实体四节点的界面单元模拟金属基复合材料的界面行为．在实验的基础上，将这种杂交反演分析方法用于估算金属基复合材料界面的四个待定的力学参数，得到的结果与实验观察相符舍．结果表明，本文所提出的杂交反演方法在解决复杂的复合材料界面问题上是可行和有效的．关键词金属基复合材料，杂交反演方法，界面损伤和破坏，界面参数识别引

2、言本文将实验、数值计算与反演方法相结合，建立了一种新的半闭环的杂交分析方法．它将实验数据引入有限元计算模型和识别过程中，在界面结合力模型的基础上利用遗传算法的优点，对实际金属基复合材料Ａ１／Ａｌｚ０３微结构的界面强度和刚度参数进行分析识别，反溯出实际金属基复合材料ＡＩ／ＡＩｚ０３微结构的合理的界面强度和刚度参数．该方法解决了一些真实材料的复杂的、非线性的参数不能由实验方法直接测量的困难．１金属基复合材料ＡＩ／Ａ！：０３微结构实验与界面模型复合材料的界面既是增强相和基体连接的桥梁，同时又是其他力学信息的传递者．尽管界面的尺寸远小于整个材料的尺寸，但破坏往往

3、是从界面开始的，界面的特性对整个材料的性能和强度的影响是重要的．围绕着复合材料界面力学问题，一些学者开展了相关的研究，迄今为止已经提出了很多界面力学理论与模型［１”］，但这些理论在实践应用中还存在一些困难，其关键问题之一是如何针对实际材料给出这些界面特性参数；另一方面，目前的实验技术可以给出材料表面的变形场Ｅｓ～ｔ０１，但是无法直接测定多相材料增强与增韧相间界面的力学与物理特征参数．因此针对实际多相复合材料如何具体地将理论分析的模型与实验结合起来，给出它们的界面性能参数仍是目前复合材料研究中一个困难和尚未解决的问题．本文的研究对象是金属一陶瓷复合材料Ａ１

4、６０６１—１０％Ａ１２０３，它有良好的强度和韧度．文［９］采用微网格技术测得了该材料试件拉伸时的局部变形和应变场，给出了１００ｐｍ×１００ｐｍ的微结构区域的实验位移场，如图１（ａ）所示．这些区域包含不同形状和大小的Ａｌｚ０３｝国家自然科学基金资助的课题（批准号：１０２３２（｝３０）・９７・颗粒，图ｌ（ｂ）给出其中一个微结构区域的构型及实验中得到的此微结构的边界位移值．实验中还观察到微结构的破坏起始于大夹杂边界周围界面空隙和界面裂纹的形成．扩ｌ（ａ）（ｂ）图ｌ金属铝基复合材料ＡＩ６０６１—１０％ＡＩｚ聩试件与微结构”３（ａ）ＡＩ６０６１—１０％Ａ１２

5、０３试件；（ｂ）未变形的微结构与实验获得的并作为有限元分析的位移载荷的边界位移；（ｃ）变形后的微结构的电镜照片为描述微结构的界面强度特性我们引入一种特殊界面单元，这种单元类似于Ｎｅｅｄｌｅ—ｍａｌｌ［５ｏ提出的ＥＰＺ（ｅｍｂｅｄｄｅｄｐｒｏｃｅｓｓｚｏｎｅ）单元与文［１１］的非实体四节点界面单元．利用有限元程序ＡＢＡＱＵＳ提供的用户单元接ＥｌＵＥＬｃ”ｏ编制了相应的软件．这是一种无初始厚度的二维四节点单元，如图２所示．在没有变形发生时，这种单元的１、４节点和２、３节点是重合的．每个节点有两个自由度，即局部坐标ｔ和ｎ方向的平动自由度．这种界面单元模拟

6、的是它所连接的两个平面连续单元之间的“弹簧”作用．应力和位移间断之间的关系如图３所示，图中吼和％分别为切向和法向的应力．随着界面的位移间断从零开始增大，界面内的应力也从零逐渐增大．界面在变形的初始阶段表现出“弹性”行为，当应力到达最大值后随着界面位移间断的增大界面内的应力保持不变，这代表了界面区域的损伤演化阶段，最后，随着位移间断的继续增大应力逐渐降低到零，界面最终失去承载能力而破坏．这个界面本构关系提供了一种能够模拟界面变形、损伤直至破坏的机制．单元刚度方程的详细推导见文［１３］．嘎‘吒口‰１～辞。Ｌ１。５ｔ。一ｄｌｍ５‰。ｎ氐ｎ（町切向

7、（ｂ）法向图２界面单元的局部坐标图３界面单元的应力一位移间断曲线本文采用平面应力模型‘１４１用ＡＢＡＱＵＳ有限元程序对真实微结构建模．由ＡＢＡＱＵＳ的前处理程序ＣＡＥ［蜘对图１（ｂ）所示的微结构构型自动生成网格，如图４所示，共７０３２个四节点平面应力单元．为了有效地简化问题，仅在大夹杂与基体的界面上分布１１２个非实体界面单元．采用上述文［９］实验给出的真实微结构的周边位移对有限元网格（图４）中的边界节点施加・９８・１．．．．．一位移载荷条件．模型材料与真实微结构的材料完全相同，材料参数如表ｌ所示．铝的非线性应力应变关系如图５所示．界面单元采用上述的非

8、实体界面单元，这里＊、氐、听一和ｄ。。分别为界面切向／法向的刚度极限与强度极限，