颗粒和纤维混杂增强复合材料力学性能的三维有限元模拟

       为了研究原位合成TiB纤维和TiC颗粒混杂增强的钛基复合材料的力学性能与微观结构的关系，根据其微观结构特点，并基于随机序列吸附(RSA：Random  Sequential  Adso rp tion)方法，提出了短纤维和颗粒混杂增强的三维有限元模型。该模型可以生成位置及取向随机分布的多纤维多颗粒的代表体积单元，同时纤维的长径比、取向分布规律可以任意调整，适合各种不同的混杂增强复合材料微观结构的模拟。对比实验测试结果，证明该模型对混杂增强的复合材料的模拟较为精确。模拟结果显示：在纤维状增强体中，平行于加载方向的增强体承载了最大的应力，而与加载方向约呈45。角的增强体承受的应力最小；颗粒状增强体承受的应力相比平行于加载方向的纤维状增强体要小很多：基体中应力在加载方向上靠很近的增强体之间较高。

       随着时代的发展，社会各方面对高性能材料的需求越来越广泛，单纯的金属或合金在很多应用领域已经无法满足力学性能方面的要求。由于拥有高比强度、高比刚度、耐高温和耐腐蚀性能，非连续增强钛基复合材料成为近年来研究的热点。尤其原位自生钛基复合材料因生产成本低、效能高赢得了广泛关注。为了能深入了解原位自生增强钛基复合材料的力学性能及其增强机理，本文中通过有限元方法模拟了其在单向应力加载情况下的应力一应变响应及微观应力一应变分布情况。

       对于短纤维增强复合材料或者球形颗粒增强复合材料，很多人采用单增强体轴对称单胞模型来模拟。其特点是单元数结点数少，可以在界面附近划分相对较密的网格，有利于分析界面脱粘等。单增强体轴对称单胞模型单元数目少，计算耗时少，但由于过于理想化，忽略了很多事实上对材料性能有很大影响的因素，也有不少研究采用了单增强体三维单胞模型。不过单增强体的模型无法体现增强体之间的相互影响，于是一些基于整齐排列的多增强体模型被提出，用来研究增强体之间的相互作用对整体复合材料性能的影响。对于非连续性短纤维增强或者球形颗粒增强，实际上增强体通常不是整齐排列的，其位置和取向通常是按照正态分布或均匀分布随机分布的。为了使模拟更接近真实，有研究者提出了平面多纤维单胞模型，其中纤维分布取向不再是整齐排列：也有人用纤维取向不同的单增强体单胞算出力学响应，然后按照纤维取向分布的百分比加权平均算得整体的力学性能。

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