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VCFEM模拟颗粒增强复合材料界面闭合

作　者: 谭韬
导　师: 郭然
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 颗粒增强复合材料界面脱层裂纹闭合 Voronoi单元有限元法疲劳
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

科学技术的发展日新月异,带动了材料科学的飞速发展。复合材料因其良好的力学特性,在许多重要的工业领得到了越来越广泛的应用,如航空、汽车、军事等领域。颗粒增强复合材料作为复合材料中的一种,在很多方面性能优越。一方面,异相材料的加入可以改善材料性能,如材料的刚度或比刚度的潜力都得到了极大的提高,强度指标也相应增加。另一方面,异项材料的加入又导致了材料断裂特性和疲劳特性的下降。这样的结果是与材料的增强体、空洞以及裂纹等微结构的材料特性、大小、形状以及它们的空间分布等都有密切的关系。颗粒增强复合材料的数值模拟研究一直是力学和材料科学研究的前沿,具有重要的意义。本文主要研究的工作如下：一、基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元法,在考虑界面脱层和裂纹扩展后,在弹性阶段提出了能考虑裂纹闭合的Voronoi单元法。在裂纹闭合阶段,提出一种网格重划分方法,可以准确的模拟界面裂纹的闭合过程。与有限元软件相比较,在相同的计算精度下,本方法单元划分简单,计算速度快捷,显示了处理多相材料力学计算的优越性。二、通过弹性阶段裂纹闭合的计算,引入塑性计算理论,得到在塑性阶段下能考虑界面脱层和裂纹闭合的Voronoi单元法。使用FORTRAN90程序语言编写了相应的计算程序,可以实现塑性阶段下的界面脱层和裂纹闭合计算。对计算结果进行了后处理,通过与商用非线性有限元软件对比,得到此方法在塑性阶段计算的结果具有较高的准确性,计算速度快。三、通过在弹塑性阶段应力应变的计算,对材料的疲劳特性进行了简单的分析,得到Voronoi单元有限元法同样可以用于材料疲劳性能分析,分析方法简单,能得到一些简单反映材料疲劳性能的结果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-20
  1.1 论文研究背景  10-14
    1.1.1 复合材料基本介绍  10
    1.1.2 复合材料的应用  10-11
    1.1.3 颗粒增强复合材料的简单介绍  11
    1.1.4 颗粒增强复合材料的优良性能  11-13
    1.1.5 颗粒增强复合材料的缺点  13
    1.1.6 颗粒增强复合材料的研究结果  13-14
  1.2 研究方法介绍  14-17
    1.2.1 第一类方法介绍  14-16
    1.2.2 第二类方法介绍  16-17
  1.3 Voronoi单元有限元法介绍  17-19
  1.4 本文主要研究工作  19-20
第二章 Voronoi单元有限元法的原理介绍  20-39
  2.1 准备知识  20-21
    2.1.1 拉格朗日(Lagrange)乘子法  20
    2.1.2 Hellinger-Reissner变分原理(H-R变分原理)  20-21
  2.2 应力杂交元基本原理和演化  21-23
  2.3 Voronoi单元有限元法的基本原理  23-31
    2.3.1 不含增强体的Voronoi单元有限元法基本原理  23-28
    2.3.2 含有增强体的Voronoi单元有限元法基本原理  28-31
      2.3.2.1 含有增强体的Voronoi单元场问题讨论  28-30
      2.3.2.2 含有增强体的Voronoi单元格式推导  30-31
  2.4 Voronoi单元有限元法应力函数的构造  31-35
    2.4.1 应力函数构造(基体)  32-34
    2.4.2 增强体部分的应力函数构造  34-35
  2.5 Voronoi单元有限元法积分区域的划分  35-38
  2.6 本章小结  38-39
第三章考虑界面脱层、裂纹闭合的Voronoi单元和程序实现  39-73
  3.1 考虑颗粒界面脱层Voronoi单元的构造  39-58
    3.1.1 单元格式的推导  39-43
    3.1.2 细化单元公式  43-45
    3.1.3 增强体刚体位移的消除  45-47
    3.1.4 内部自由度的凝聚  47-48
    3.1.5 界面脱层的判断准则  48-49
    3.1.6 考虑界面脱层和扩展的网格重划分技术  49-51
    3.1.7 程序实现有效性验证的数值算例(弹性阶段考虑界面脱层和扩展)  51-52
    算例一(含有单个增强体的Voronoi单元模型)  52-56
    算例二(含有多个增强体的Voronoi单元模型)  56-58
  3.2 考虑界面脱层后裂纹闭合的Voronoi单元  58-69
    3.2.1 裂纹闭合单元格式的推导  58
    3.2.2 裂纹闭合荷载的施加和闭合原理  58-59
    3.2.3 裂纹闭合过程和网格重划分  59-64
    算例三(含有单个增强体的Voronoi单元模型裂纹闭合)  64-67
    算例四(含有多个增强体的Voronoi单元模型裂纹闭合)  67-69
  3.3 颗粒增强复合材料在弹性阶段的疲劳性能现象分析  69-72
  3.4 本章小结  72-73
第四章考虑塑性应变和裂纹闭合的Voronoi单元  73-102
  4.1 Voronoi单元的构造—塑性阶段  73-90
    4.1.1 Voronoi单元格式的推导  73-79
    4.1.2 增强体刚体位移的消除  79-80
    4.1.3 塑性部分单元内部自由度的凝聚  80-82
    4.1.4 弹塑性本构关系  82-90
  4.2 程序有效性验证(数值算例)  90-101
    算例一(塑性阶段Voronoi单元模型界面脱层和裂纹扩展)  90-97
    算例二(塑性阶段Voronoi单元模型裂纹闭合)  97-101
  4.3 本章小结  101-102
第五章结论与展望  102-104
致谢  104-105
参考文献  105-110
附录A (攻读硕士学位期间发表论文目录)  110

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