颗粒增强金属基复合材料有效弹性性能预测

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1、摘要摘要金属基复合材料是近几年来迅速发展起来的一种高技术的新型工程材料，以其优越的性能而受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，不论是在理论上，还是在实验上均是理想的复合材料研究对象。本文将均匀化理论与有限元通用程序相结合，预测了金属基复合材料的宏观性能。通过对金属基复合材料有效弹性常数的数值模拟，考察了均匀化方法的适用情况。本文把基于小参数渐近展开的均匀化理论和有限元法相结合，推导出细观体系下求解等效弹性模量的表达式。以SiC颗粒增强铝基复合材料为

2、例，对宏观有效弹性常数进行了数值计算，并与早期方法得到的结果进行比较。计算结果表明均匀化方法在预测有效弹性常数方面是正确的。预测了金属基复合材料的颗粒的形状、性能、尺寸分布以及颗粒的含量对增强、增韧金属基复合材料的有效弹性常数的影响。用有限元方法模拟了颗粒均匀分布和随机分布的金属基复合材料的拉伸试验，并对模拟试验结果和预测结果进行了对比分析，模拟得到的有效弹性常数与多尺度均匀化理论预测的结果是一致的，说明本文提供的模拟试验方式可以作为复合材料有效弹性常数的一种验证手段。将多尺度均匀化方法用于多孔

3、板结构的性能预测,并将此运用于离心机多孔转鼓的质量优化，为开孔转鼓的结构设计提供了一种新思路。关键词：金属基复合材料；均匀化理论；有限元分析；有效模量；多孔板；转鼓；结构优化IAbstractAbstractAsakindofnewandadvancedengineeringmaterial,metalmatrixcompositesaredevelopingveryfastrecentlyandtheyaregainedmoreandmoreattentionbecauseoftheirenh

4、ancedproperties.SiCparticlereinforcedAl-matrixcompositesisoneofthemostattractivecompositesatpresent,moreoveritistheinvestigativeobjectofperfectcompositesbothintheoryandinexperiment.Themacroscopicpropertiesofmetalmatrixcompositeswerepredictedinthispap

5、er,thehomogenizationmethodwascombinedwithfiniteelementmethod.Itsadequacywasinvestigatedthroughnumericalsimulationforeffectiveelasticconstantsofmetalmatrixcomposites.Homogenizationtheorybasedonlittleparameterexpandedanalysiswascombinedwithfiniteelemen

6、tmethodandtheexpressionforsolvingtheeffectivemoduluswasdeducedinthemicroscopicsystem.Asanexample,SiCparticlereinforcedAl-matrixcomposites,macroscopiceffectiveelasticconstantswerecalculated,comparedwiththeresultsfromearliermethods.Theresultsshowthatho

7、mogenizationmethodiscorrecttopredicttheeffectiveelasticconstant.Theinfluencesoftheparticle’scross-sectionalshape,properties,distributionandthevolumepercentageincompositesforeffectiveelasticconstantsoftheparticlereinforcedortoughenedmetalmatrixcomposi

8、teswereforecasted.Thetensileexperimentofthemetalmatrixcompositeswithparticleuniformorrandomdistributionwassimulatedbythefiniteelementmethodandthecontrastanalysisbetweentheresultsofthesimulationandthatofpredictionwasdone,sowecanknowthattheeffectiveela