颗粒增强镁基复合材料力学性能的有限元数值分析

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金属基复合材料作为近些年快速发展起来的新型工程材料,因其优越的性能受到广泛关注。SiC颗粒增强镁基复合材料以其高比强度和高比刚度等优异的力学性能,成为最备受关注的材料之一,它可以应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育等领域。但是对于SiC颗粒增强镁基复合材料的基础研究还很薄弱,因此探究其力学行为对镁基复合材料的应用具有重要意义。本文主要利用ANSYS有限元分析软件APDL功能完成随机SiC颗粒增强镁基复合材料有限元模型的建立,施加单向拉伸位移载荷从而实现复合材料力学性能数值模拟过程。分析了随机颗粒分布的三维复合材料模型,SiC颗粒不同颗粒数量、形状、体积分数对镁基复合材料的力学性能的影响。模拟结果显示,在体积分数相同的条件下,随着颗粒数量的增大,复合材料的屈服强度下降,但超过一定数量后,对复合材料的力学性能影响很小。增强体颗粒形状越是尖锐,增强作用越明显,屈服应力值越大,但是球形的颗粒可以减少应力集中,进而减少破坏的可能。在增强体颗粒相同尺寸条件下,随着体积分数的增加,颗粒容易团聚,此处容易发生破坏。利用ANSYS中的生死单元模块模拟颗粒增强镁基复合材料的裂纹扩展,在多载荷步的作用下,根据ANSYS的计算结果决定单元的生死状态。以二维随机颗粒作为研究模型,通过把非激活单元选出后留下的痕迹来模拟裂纹扩展的路径,此时产生的裂纹有沿着力的拉伸方向扩展的趋势,裂纹容易产生在颗粒与颗粒之间,在不考虑界面问题时,基体的破坏对复合材料的破坏起决定性作用。利用ANSYS建立三维随机颗粒增强镁基复合材料分析模型,复合材料的弹性模量随着增强体的体积分数的增加而增加;应用有限元法得出增强体不同体积分数下的弹性模量,其值介于并串联法计算的结果之间,与实验值测得的值非常接近,进而说明有限元法预测弹性模量是较为精确。随着增强体的体积分数增加,串联模型预测的弹性模量偏差越大。
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