纤维体积分数及排布方式对复合材料残余应力的影响.doc

1、 纤维体积分数及纤维排布方式对复合材料残余应力的影响 摘要：随着时代的进步，科技越来越发达，工程应用上对材料的的要求也越来越高，金属基复合材料以其优良的力学性能得到了快速发展。由于金属基复合材料的残余应力对复合材料的性能有很大影响，因此全面了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分布规律，对复合材料的研究具有重要的指导意义。应用ANSYS软件采用二维有限元法模拟SiC/Ti-6Al-4V 复合材料界面的残余应力分布，分析纤维体积分数及纤维排列方式对纤维对复合材料残余应力的影响。结果表明：随纤维体积分数升高,复合材料的残余应力逐渐呈现出各向异性；六方纤维排布模式是较四方纤维排布模式与四

2、方对角排布模式更理想的纤维排布方式。关键词：钛基复合材料，有限元分析,纤维体积分数，纤维排布，残余应力 The effect of fiber volume fraction and the fiber arrangement on the residual stress in CompositesAbstract: With the progress of the times, more and more advanced science and technology, engineering application of material requirements are increasi

3、ngly high, metal matrix composite materials has been rapid development with its excellent mechanical properties. Due to residual metal matrix composite stress has a great influence on the performance of composite materials, so a comprehensive understanding of all the effects of residual stress in th

4、e composite factor, the residual stress state and distribution rule, has the important guiding significance to the study of composite materials. The residual ANSYS software application by using two dimensional finite element method to simulate the SiC/Ti-6Al-4V composite stress distribution, influen

5、ce of fibre volume fraction and the fiber arrangement on stress fiber for composite residual. The results showed that: with the fiber volume fraction increases, The residual stress in the composite gradually show anisotropy;Six party fiber arrangement mode is the fiber arrangement is tetragonal fibe

6、r arrangement and square diagonal arrangement more ideal.Keywords: titanium matrix composites,finite element analysis,fiber volume fraction, fiber array, residual stress 目 录 1 绪 论1.1研究目的与意义11.2金属基复合材料21.2.1金属基复合材料的特点和分类21.2.2金属基复合材料的研究现状和发展趋势31.2.3金属基复合材料中残余应力相关知识41.3钛基复合材料91.3.1钛基复合材料概述91.3.2钛基复合材料

7、的制备91.3.3钛基复合材料残余应力121.4本课题研究的主要内容122 ANSYS有限元法分析基础2.1有限单元法132.1.1有限单元法概念132.1.2有限单元法一般步骤132.2有限元模拟技术142.3.有限元软件152.3.1 ANSYS软件概述162.3.2 ANSYS软件工作界面162.3.3 ANSYS软件主要分析步骤173 复合材料残余应力的有限元分析3.1前言193.2材料性能193.3软件模拟具体步骤203.3.1前处理203.3.2加载与求解203.3.3后处理213.4实验结果与分析213.4.1纤维体积分数对复合材料残余应力的影响213.4.2纤维排布方式对复合材

8、料残余应力的影响29结论与展望32参考文献33致 谢35 V1 绪论1.1研究目的与意义复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等1。 70 年代后期，由于高新技术对材料的各种性能要求日益提高，金属基复合材料以其优良的性

9、能引起各国政府、工业界的重视，被誉为先进复合材料，与传统材料相比较，它具有重量轻、高比弹性模量、高比强度、耐疲劳、耐磨损、低能耗、低膨胀系数等特点2，因此金属基复合材料在军事、航天航空、汽车、机械、电子等各种领域得到了广泛应用。在复合材料使用过程中，由于基体和纤维性能的差异，热残余应力的存在不可避免，它对复合材料的力学性能有着重要影响，有时甚至会导致基体开裂，因此受到人们的高度重视3。金属基复合材料的内部残余应力对复合材料的力学性能具有重大影响, 为了预测金属基复合材料内部残余应力的大小及影响，许多学者都致力于研究金属基复合材料内部残余应力的理论计算模型4。广义地说，残余应力是一种普遍存在的现

10、象，产生残余应力的原因也是多种多样的。金属基复合材料热残余应力产生必须具备的条件有：基体与增强体之间界面结合良好；温度变化；增强体与基体之间的热膨胀系数差异5。因此建立一些模型对于分析和理解热残余应力的分布特征和变化趋势是非常有用的6。随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了数值模拟技术的热潮，数值模拟技术的应用，不仅可以节省实验时间、节约研究经费，而且对研究残余应力对复合材料性能的作用规律、促进金属基复合材料的应用与发展都具有重大意义。因此全面了解复合材料残余应力的各种影响因素、残余应力状态及分布规律，对复合材料的强度估算和寿命预测等具有重要的指导意义。01.2金属基复合材料1.2.1金属基复合材料的分类及特点金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。金属基复合材料按增强体的类别来分类，如纤维增强(包括连续和短切)、晶须增强和颗粒增强等，按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分