纤维增强复合材料的应力计算与设计

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液锌中工作的材料即要求有良好的耐熔锌腐蚀性能以及优异的热传导性能,同时又要有一定的力学性能。铁硼合金虽然热传导性能和耐锌蚀性能能够满足实用要求,但是力学性能较差,在使用中很容易发生断裂失效,其力学性能限制了铁硼合金在热镀锌领域的应用。本文构造了长纤维增强铁硼合金基复合材料的有限元分析模型,通过改变纤维的弹性模量、热膨胀系数、体积分数、纤维分布以及纤维和加载方向的夹角,来模拟不同性质的纤维以及纤维不同的排布状态对复合材料整体的残余热应力以及力学性能的影响,对不同参数的纤维增强复合材料进行了计算和比较研究。计算结果表明,在脆性材料基体中添加纤维,能有效地改善复合材料的力学性能,在一定的界面强度、外加载荷下,较高的界面强度能够延缓纤维附近裂纹的扩展,起到材料增韧的效果。复合材料的残余热应力和抗拉强度随所加纤维的热膨胀系数和弹性模量的增大而增大;在基体受压应力时,随着纤维体积分数增大,复合材料中基体的压应力增大,复合材料的抗拉强度随之增大。纤维轴向与加载方向平行时,复合材料能得到最大程度的加强,当纤维与加载方向成一定夹角时,基体与纤维的界面很容易因发生应力集中而失效,从而导致材料的性能下降。本文通过在铁硼合金中加入Mo纤维制备纤维增强复合材料来达到材料增韧的目的,采用热压烧结法制备了纤维增韧复合材料,并对复合材料进行了力学性能测试。试验结果表明,计算的结果基本与试验结果吻合。可见,通过有限元数值模拟可降低实际试验成本,为纤维增韧复合材料的设计提供理论指导。
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