[发明专利]一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法

说明书

一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测方法，本发明涉及一种新材料设计领域的技术，具体是非连续增强金属基复合材料中增强体形状、含量、尺寸、取向的设计、复合材料结构建模及其变形行为、损伤行为和力学性能的预测方法。其操作流程包括：基于颗粒、短棒、晶须状增强体随机分布状态，构建非连续增强复合材料的三维几何模型；对三维模型进行网格划分；通过公式计算来修正金属基体和增强体的强度；将各组分的力学性能赋予模型；对模型施加边界条件及载荷；通过仿真技术计算复合材料的力学性能。该方法具有操作简便、适用复合材料体系广、精度高等特点。

技术领域

本发明涉及一种新材料设计领域的技术，具体是一种基于增强体形状、含量、尺寸、取向的非连续增强金属基复合材料结构生成及其力学性能、变形行为、损伤行为的预测方法。

背景技术

近些年，随着工程上对结构材料要求的提高，具有良好综合性能的金属基复合材料已成为国际上研究热点之一。非连续增强金属基复合材料是由增强体与金属基体复合而成，其中增强体的形状、含量、尺寸和取向设计及其与力学性能的相关性，是研发高性能金属基复合材料的关键。由于非连续增强金属基复合材料的变形过程中，塑性变形首先发生于增强体周围的应力集中区，导致基体发生不均匀的塑性变形。因此外加应力小于基体合金的屈服强度时，复合材料的应力～应变曲线就偏离线弹性区，这将给复合材料的屈服强度的预测增加难度。此外，增强体的类型、形状、含量、尺寸和取向分布状态等因素，也会影响复合材料的变形及损伤行为。因此传统金属与合金的设计方法已经不适用于非连续增强金属基复合材料的设计与性能预测。近几年有限元数值仿真技术越来越多地应用于复合材料研究中，可以较准确地预测复合材料增强体特征与力学性能的关系，已经成为了一种复合材料组分设计的重要方法。开发一种可广泛适用于构建多种微观结构的复合材料有限元建模技术，将极大地推动复合材料优化设计，满足高性能复合材料设计研发的需求。

发明内容

本发明针对现有三维复合材料建模技术上的不足，提出一种非连续增强复合材料模型构建成及其力学性能、变形行为及损伤过程的预测方法。本发明充分考虑增强体的形状、含量、尺寸、取向、分布等结构特征，生成三维代表性体积单元模型。对生成的三维代表性体积单元模型施加拉伸边界条件及载荷，通过有限元模拟仿真技术，预测复合材料的力学性能、变形行为及损伤行为。所采取的技术方案为：

一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法，所述方法包括：

步骤一、选取增强体类型、尺寸及体积分数；所述增强体类型包括：颗粒、短棒和晶须；其中，颗粒可以选择为球形、六面体、二十面体或二十六面体，增强体的尺寸为颗粒直径；短棒、晶须为二十六面体，增强体的尺寸为短棒、晶须的端面直径和长径比。本发明支持多种尺寸、多种形状的增强体混合使用。

步骤二、基于增强体的分布状态构建复合材料的三维代表性体积单元模型；其中，颗粒、短棒和晶须的分布状态分别为：颗粒为随机分布；短棒和晶须为完全随机分布和定向分布；

步骤三、对复合材料的三维模型进行网格划分；

步骤四、通过模型计算来修正金属基体和增强体的强度，获得修正后的材料属性；将修正后的材料属性赋予复合材料有限元模型；其中，金属基体强度采用Taylor等效塑性应变模型进行强度修正；增强体的断裂强度采用Griffith断裂模型进行修正；

步骤五、为有限元模型施加边界条件，选取固定的O点(0，0，0)和加载点RF(100，100，100)，对面x＝0上的所有节点约束施加约束使之与O点具有相同的x坐标，即节点始终保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有节点始终在y＝0平面上；面z＝0上的所有节点始终在z＝0平面上；对面x＝100上的所有节点约束施加约束使之与RF点具有相同的x坐标；面y＝100上的所有节点与RF点具有相同的y坐标；面z＝100上的所有节点与RF点具有相同的z坐标；对加载点RF施加x方向的位移载荷，最大载荷为4～8；即4～8％的应变量，载荷的应变速率为4×10^-4s^-1；