颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟

       基于Ghosh提出的Voronoi单元有限元方法，构造能够反映颗粒增强复合材料基体和夹杂界面产生脱层的新单元，结合网格重划分技术，模拟含任意随机分布夹杂的复合材料界面开裂的力学性能。为了分析夹杂和基体之间脱层对细观结构演化和宏观性能的影响，采用了临界节点移动技术。编制的有限元程序，能够描述界面逐步脱离过程和应力场的变化。计算实例和普通有限元方法进行比较，证明其精度完全符合要求。

      随着科学和技术的发展，复合材料在一些重要的工业领域，如航空、航天、核能和电子等部门得到了越来越广泛的应用。其中颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)由于具有很多良好的力学和热学性能受到广泛的重视。增强体的加入可以使以屈服应力或极限应力为代表的强度指标大大提高；可以阻碍位错滑移，大大改善抗蠕变性能。另一方面，夹杂的存在也带来了负面的影响，会降低材料的延展性、断裂韧性。同时，夹杂的存在也加速了疲劳裂纹的形成和扩展，相应降低了疲劳寿命。这些缺陷限制了颗粒增强复合材料的广泛应用。而这种缺陷的产生与微结构的形态特征密切相关。

       大量实验和数值计算对复合材料的形态特征（如：体积比、颗粒形状大小、空间分布）、构成材料及其界面的特性对变形和损伤的影响进行了分析研究。Embury及其同事研究得出，颗粒大小、比例和空间分布对损伤的产生具有重要影响。Corbin和Wilkinson的实验研究表明，颗粒增强复合材料的局部损伤强烈依赖于颗粒形态特征。一些学者通过大量实验显示了复合材料的形态特征和基体材料特性对断裂和界面脱层的影响。研究表明，对氧化铝增强的铝基复合材料，损伤主要是颗粒脱层，进而产生颗粒间断裂，局部损伤降低了材料延展性和疲劳寿命。

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