顆粒增強金屬基復合材料棘輪行為的細觀循環(huán)本構(gòu)模型研究.pdf

1、顆粒增強金屬基復合材料(PRMMCs)由于其重量輕，強度高、熱穩(wěn)定性好以及較低的制造成本和宏觀各向同性等優(yōu)良性能，目前已廣泛用于軍工行業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)和體育用品等領域，例如人造衛(wèi)星連接部件、輕質(zhì)裝甲、汽車發(fā)動機活塞和氣缸、高爾夫球桿頭等。在這些領域中，構(gòu)件通常承受復雜的循環(huán)載荷的作用，有時還處于高溫、高壓等工作環(huán)境。在非對稱的應力循環(huán)加載下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件將產(chǎn)生塑性變形的累積現(xiàn)象，即棘輪行為，棘輪行為可能導致結(jié)構(gòu)疲勞壽命減少或者使其塑性

2、變形超限而無法正常使用，是工程應用中必須考慮的重要問題之一。近二十年來，國內(nèi)外的研究者對金屬材料的棘輪行為進行了大量實驗和理論研究，在單一材料的彈塑性和粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型和棘輪行為的描述等方面取得了諸多成果。然而，對復合材料這一類非均質(zhì)材料，已有研究大多局限于應變控制的循環(huán)加載模式，對復合材料棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)研究和準確預測還沒有得到很好的解決。因此，對復合材料的棘輪行為進行深入的實驗研究和細觀有限元分析，繼而在細觀層次上發(fā)展能夠合理描

3、述復合材料棘輪行為的循環(huán)本構(gòu)模型，將是對循環(huán)本構(gòu)關系理論研究的一個重要突破。研究成果會促進固體力學在非均勻材料方面的發(fā)展，對復合材料工程構(gòu)件的壽命預測和可靠性設計也具有重要的應用價值。
　　 為了對顆粒增強金屬基復合材料的棘輪行為開展深入系統(tǒng)的研究，本論文主要開展了以下工作:
　　 1.對體積分數(shù)為14％和21％的SiCp/6061Al合金復合材料室溫下的應變循環(huán)和棘輪行為進行了系統(tǒng)的細觀有限元模擬，揭示了顆粒體積分數(shù)、

4、形狀和分布特性等微結(jié)構(gòu)因素對復合材料棘輪行為的影響，為細觀本構(gòu)模型的建立奠定了基礎;觀察和分析了復合材料基體內(nèi)部塑性變形的發(fā)源和分布特性，為研究復合材料細觀損傷和失效機制提供了依據(jù)。
　　 2.在Hill增量理論和Eshelby等效夾雜理論的基礎上，對Mori-Tanaka均勻化模型進行推廣，結(jié)合已有的實驗和細觀有限元分析，建立了能夠合理描述顆粒增強金屬基復合材料時無關棘輪行為的細觀彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型，并將模擬結(jié)果與相關實驗結(jié)果

5、相比較，驗證了模型的合理性和正確性。
　　 3.基于統(tǒng)一粘塑性框架和Eshelby等效夾雜理論，采用廣義增量仿射線性化方法，對Mori-Tanaka均勻化理論進行粘塑性推廣，建立了可以合理描述顆粒增強金屬基復合材料時相關棘輪行為的細觀粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型。分別在室溫和高溫下，對復合材料的時相關棘輪行為進行了數(shù)值模擬，通過與實驗結(jié)果比較，驗證了模型的預測能力。
　　 4.采用新發(fā)展的彈塑性和粘塑性細觀循環(huán)本構(gòu)模型，模擬了復合