空心微珠铝基复合材料的制备及有限元模拟

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1、摘要空心微珠是从电厂排放的废料粉煤灰中提取出来的体轻中空的球形颗粒由于它具有轻量节源低成本好的特定的机械性能等特性从而引起了材料研究者的广泛兴趣成为铝基复合材料新的增强颗粒本文采用半固态搅拌铸造技术制备空心微珠-铝基复合材料研究了空心微珠加入量铸造方法和缺陷对复合材料性能的影响同时本文首次采用细观力学有限元的方法预测空心微珠-铝基复合材料弹塑性性能建立了复合材料的理想周期模型和非理想模型并与实验数据比较在理想周期模型引入中空颗粒的代表性体积元建立二维和三维模型在非理想模型中引入孔隙率颗粒大小颗粒团聚等参数其中颗粒团聚的分析提出了简

2、单函数模型和随机函数模型引入二阶密度公式确立非理想模型单位元大小利用MW-GMC(moving-windowgeneralizedmethodofcells)技术提高数值计算速度研究结果表明1采用半固态搅拌铸造技术获得了分布均匀无明显分层的复合材料且空心微珠加入量铸造方法和缺陷是影响复合材料性能的重要参数2在理想模型的数值模拟中随着空心微珠体积百分比Vf增加复合材料的弹性模量和比例极限减少并逐渐表现出泡沫材料的特性与实验结果相一致随着空心微珠壁厚与空心微珠半径的比值(t/R)的增加复合材料的弹性模量增加颗粒的破裂是复合材料的重要失

3、效方式3在非理想模型的数值模拟中复合材料的弹性模量和屈服强度随着孔隙率的增加而减少颗粒大小对复合材料的弹性模量基本上没有影响但颗粒半径越小颗粒强化的效果越明显颗粒团聚简单函数模型简化颗粒分布非均匀性强化颗粒团聚效应颗粒团聚对变形产生约束随着团聚中的空心微珠百分比增加减弱约束效应随机函数模型强调了颗粒分布的不均匀性指出颗粒分布不均匀性对复合材料性能的危害关键词空心微珠复合材料细观力学有限元模拟弹塑性性能IAbstractCenopsheres,ahollowsphericalandlowweightparticle,isextrac

4、tedfromcoalflyash.Coalflyashisanindustrialwasteby-product,whichisproducedduringthecombustionofcoalbythermalpowerplants.Cenospheresisnoticedbyinvestigatorsbecausecenosphereshasmultitudinousmeris,suchaslowerweight,costandspecificproperties.Socenospheresbecomesanewreinfo

5、rcement.Inthearticlealuminumcenospherescompositesarefabricatedbysemisolidstiringcasttechnique.Itwasstudiedthathowthepropertiesofcompositeswereaffectedbycenospherescontent,casttechniqueanddefect.Forthefirsttimemicromechanicfiniteelementsimulationsonthebaseofidealandnon

6、idealmodelhasbeenmadeinthisinvestigationtopredictelastoplasticpropertiesofcomposites.Thedatasofcalculationwerecomparedwithresultsofexperimentinthisarticle.Idealmodelbasesonrepresentativevolumeelementofhollowmicroballoontoestablishtwo-dimensionalandtridimensionalpatter

7、n.Nonidealmodelisonthebaseofparameterssuchasporosity,particlesize,particleagglomeration.Particleagglomerationisanalysedbysimplefunctionmodelandrandomfunctionmodel.Thedimensionofnonidealmodelisestimatedbythesecond-orderintensityfunctionandatechniqueofmoving-windowgener

8、alizedmethodofcells(MW-GMC)isusedtoimprovespeedofthecalculation.Theresultsshow:(1)auniformdistributionofcenopsheresinalloyst