復合材料微觀組織結(jié)構的計算機設計.pdf

1、隨著科學技術的日新月異，工程應用中對材料性能的要求愈來愈來高，對材料服役條件愈來愈苛刻，對工程構件服役壽命的估算也日益嚴格。一些傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不能滿足各種極端條件下的需求，這就要求我們拓展思路、改進方法設計適用于各種工程環(huán)境下作業(yè)的先進材料，并對設計出的新型先進材料的材料性能、失效行為進行有效地預測與評估。
　　 近年來，伴隨計算科學的迅猛發(fā)展，計算機技術在各學科領域內(nèi)得到廣泛的應用。當前，國內(nèi)外許多學者以計算機仿真與數(shù)值計算為

2、手段將計算機技術成功運用于材料科學，以彌補傳統(tǒng)材料設計與制備的不足。通過各種算法設計實現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構的數(shù)字化仿真與數(shù)值化模擬已經(jīng)成為利用計算機技術研究材料科學的主要研究趨勢，并逐步演化為一門嶄新的學科——材料微結(jié)構計算學?！皵?shù)字材料”技術是材料設計、性能預測與評估材料服役行為計算機化的關鍵手段，它被用來支撐跨尺度/跨時度的材料的微結(jié)構及其演化過程的可視化表達、表征、模擬與虛擬推演，從而實現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構狀態(tài)的可設計、可推演、可預測

3、。同時，伴隨著材料微觀組織結(jié)構狀態(tài)的數(shù)字化過程，材料微結(jié)構的數(shù)值化處理技術的應用亦顯得十分重要。數(shù)字化過程是對一種狀態(tài)的翻譯過程，而數(shù)值化過程就是對一種狀態(tài)的處理過程?！皵?shù)值材料”技術是“數(shù)字材料”技術成功走進材料科學領域最基本的前提，亦是“材料微結(jié)構計算學”的基礎，其作用是依據(jù)材料微觀組織結(jié)構之幾何結(jié)構、組成物結(jié)構、或相結(jié)構做出有效地數(shù)值計算，“數(shù)值材料”技術為定量分析材料微結(jié)構奠定了基礎。在實現(xiàn)對材料微結(jié)構進行數(shù)值計算的基礎上，還可

4、以實現(xiàn)材料微結(jié)構的虛擬失效分析，從而系統(tǒng)地建立一套推演多元多相異質(zhì)體材料微結(jié)構虛擬失效過程、評估微結(jié)構虛擬失效狀態(tài)的科學方法，開發(fā)一套較為實用的計算機軟件，最終創(chuàng)建一整套“微結(jié)構組成物幾何結(jié)構-微結(jié)構組成物材料性能-材料結(jié)構弱點特性-微裂紋擴展行為-材料損傷后性能-微結(jié)構失效狀態(tài)”數(shù)據(jù)庫平臺。
　　 圍繞上述問題，本文分別結(jié)合金屬基復合材料、樹脂基復合材料以及碳-碳編織復合材料在航空航天領域中的廣泛應用，以“數(shù)字材料”技術為先導

5、，用于表征具有各種復雜幾何形貌的復合材料微觀組織結(jié)構，以“數(shù)值材料”技術為核心，用于實現(xiàn)材料微結(jié)構在各種工況條件下的數(shù)值模擬與虛擬失效分析，從而實現(xiàn)不同復合材料微觀組織結(jié)構設計與數(shù)值計算的研究工作。
　　 鈦基復合材料(TMCs)以其高的比強度、比剛度和抗高溫特性而成為超高音速宇航飛行器和下一代先進航空發(fā)動機的候選材料。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，常規(guī)的鈦及鈦合金己不能滿足要求，需要開發(fā)新的高性能鈦合金以滿足更高的要求，因此研究問題

6、的焦點由常規(guī)鈦合金轉(zhuǎn)向金屬間化合物、由固溶強化鈦合金轉(zhuǎn)向鈦基復合材料，鈦基復合材料主要分為顆粒增強和纖維增強2大類，當?shù)兔芏?、高模量、高強度的增強相加入到鈦基體合金中，復合材料的比強度、比模量和蠕變強度等材料性能都有較大的提高，可以滿足航空工業(yè)的需要。本文以開發(fā)的材料微觀組織結(jié)構仿真軟件ProDesign為基礎，構造出鈦基復合材料微結(jié)構的“代表性體積單元塊”，并結(jié)合C++程序設計、Python腳本語言，對商業(yè)有限元軟件ABAQUS的前后

7、處理進行二次開發(fā)，實現(xiàn)鈦基復合材料微結(jié)構的有限元網(wǎng)格劃分與細觀力學計算，并根據(jù)材料微結(jié)構力學計算的數(shù)值解，預測鈦基復合微結(jié)構材料材料性能，識別“材料結(jié)構弱點”，評估微裂紋(群)的啟裂、擴展，推演“微結(jié)構虛擬失效”行為。
　　 先進樹脂基復合材料由于其比強度和比剛度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形的獨特優(yōu)點，已經(jīng)在航空、航天等領域得到廣泛應用。先進樹脂基復合材料基體的主要成分是聚合物

8、，可分為熱塑性樹脂和熱固性樹脂兩大類，環(huán)氧樹脂是一種最常見的熱固性樹脂，具有形式多樣、固化方便、黏附力強、收縮性低、良好的力學與電學性能、化學穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異的性能，環(huán)氧樹脂最大的弱點就是韌性較差，固化后的樹脂耐沖擊性能差，容易裂開，因此作為航空高性能復合材料應用時，需要對其進行增韌改性。對于按照不同TP/TS(Thermoplastic/Thermoset)配比制備的環(huán)氧樹脂基復合材料微結(jié)構具有不同相結(jié)構，本文結(jié)合北京航空材料研究

9、院提供的實驗數(shù)據(jù)，以原位共混工藝制備的增韌環(huán)氧樹脂基復合材料為基礎，采用計算機仿真的方法，表征實驗觀測到的原位共混增韌體系相結(jié)構，研究其組分配比與粒徑分布、粒間距之間的關系，并通過有限元法的數(shù)值模擬，預測所制備的樹脂基復合材料的力學性能。
　　 三維碳-碳編織復合材料以整體編織預成型件作為增強材料，不需縫合和機械加工，具有明顯的性能可設計性與良好的綜合性能指標，如較高的強度、剛度和較好的抗沖擊性、耐燒蝕性等，所以受到工程界的普遍