颗粒增强铝基复合材料细观力学研究

作     者：冯运虎 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程红梅

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：颗粒增强铝基复合材料 细观力学 金相图片 反演 

摘      要：由于颗粒增强铝基复合材料具有非常复杂的细观结构,传统的细观力学理论已不能满足对其力学问题进行求解。在数值分析上,传统的有限元法需要划分大量极其细小的网格来模拟颗粒增强铝基复合材料的细观结构,且很难对不同的网格赋予不同的材料属性,也不能很好的适用于颗粒增强铝基复合材料。本文提出的细观力学分析方法主要从颗粒增强铝基复合材料的细观结构出发,探讨细观结构发生的变化对结构细观力学特性的影响,研究了基于颗粒增强相细观组分分布、梯度函数输入、基于材料实际细观金相图片输入对颗粒增强铝基复合材料结构进行三维静、动力分析。此外,在细观力学静、动力正演分析理论基础上,发展了一种反演、识别技术,对颗粒增强铝基复合材料的未知参数进行了反演与识别分析。主要研究内容和结论如下:(1)推导了颗粒增强铝基复合材料细观力学分析理论和反演理论。首先采用传统有限元法将构件分为“宏观单元,再将其进一步细分为“细观单元,每个细观单元具有不同的材料属性和节点自由度,实现宏观单元与细观单元间的协调与共同作用,再进行计算机求解。在颗粒增强铝基复合材料单参数反演分析时选取DFP算法,多参数反演分析时采用SUMT算法,在静、动力正演分析基础上发展了一种新的反演、识别技术,根据最小二乘原理构建反演分析的数学模型。(2)基于细观力学分析基本理论,使用Fortran语言对静力学程序和动力学程序以及反演算法程序进行开发,并对所编制程序进行数值检验,结果表明本文所编制程序具有计算快、精确性高等优点。(3)基于颗粒增强相梯度函数输入对颗粒增强铝基复合材料板件进行细观力学静力学分析,研究了不同颗粒类型、不同复杂边界条件、不同梯度函数和不同混合颗粒类型对颗粒增强铝基复合材料宏观力学特性的影响,结果表明法向挠度沿厚度均匀分布;水平位移沿厚度线性分布;弯曲应力、面内剪应力沿厚度高次曲线分布;法向剪应力沿厚度抛物线分布;挤压应力沿厚度三次曲线分布,这些结果都与匀质薄板理论一致。(4)基于颗粒增强相随机分布细观结构图片以及基于真实的高熵合金颗粒增强铝基复合材料金相图片信息输入对颗粒增强铝基复合材料结构进行静力分析,得到了其细观力学量变化曲线以及能反映材料内部细观结构变化的应力等值线图,其能很好的体现出金相图片上各材料的细观结构分布,材料细观结构上的微小变化均能得到充分体现,进一步证明本文所述细观力学分析方法的精确性。(5)利用细观力学动力分析程序对颗粒增强铝基复合材料板件进行动力学分析,得到其三维固有频率值、位移振型和应力振型的三维分布。结果表明:不同组分分布对复合材料板件动力特性影响很大,最大相差率为10%;不同材料颗粒复合材料板件固有频率最大相差率为15%;不同体积分数高熵合金颗粒板件的固有频率最大相差率为10%。(6)利用所编制的反演分析程序对颗粒增强铝基复合材料内部未知的参数进行反演、识别分析。即基于静力学及动力学试验测量得到的挠度值和固有频率值,对颗粒增强相梯度函数分布指数、外载荷、单颗粒增强相或混合颗粒增强相弹性模量、泊松比、质量密度及材料名称进行了反演、识别分析,将反演值代入正演分析程序进行计算,并将计算结果与试验测量值进行对比分析,结果表明两者误差非常小,进一步证明本文所提出的反演、识别技术具有较高的精确性,适用于具有复杂细观结构的这一类非均质材料。