基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析.docx
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基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析
基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析
陈晨
力学与工程学院，结构2010-01班，20104336
【摘要】本文中，将以T6热处理的SiCp/6061A1合金复合材料为研究对象，在细观分析模型的基础上，建立一定的体积代表性单元，将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加
适当的边界条件，得出复合材料的应力场和应变场，然后进行体积平均，得到等效应力和等
效应变，从而对该复合材料的单轴循环应变行为进行有限元分析。
【关键词】固体力学，复合材料力学，Ansys有限元分析
1•问题描述
颗粒增强铝基复合材料由于其质量轻，刚性好和良好的耐高温性能以及低廉的生产成本
和宏观各向同性性能，目前已广泛用于航空航天、机车车辆、运动器械和汽车工业中，例如
自行车主架、飞机腹板、汽车传动轴、连杆以及活塞等。
这些由复合材料制成的结构构件通
常承受的是一种复杂的、非比例的循环交变载荷的作用。
本文主要分析单颗粒增强复合材料，利用Ansys软件将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加适当的边界条件得出复合材料的应力场和应变场，进行体积平均得到等效应力
和等效应变，从而计算出复合材料的力学性能。
在有限元模型中，各尺寸满足R4=4r3/3VfH且H=2R。
边界条件为对称边界条件。
分析中，SiCp颗粒的弹性模量Ep=460GPa，泊松比p=0.25，基体为T6061铝合金，
采用Chaboche随动硬化率，材料参数如下表1所示。
由于代表性单元的轴对称性，图2中
只给出了其基面的1/4。
加载方式如图3。
表1基体材料参数
参数名
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C9
EX
NUXY
Chaboche
206
8e4
1000
3e5
2e5
1600
400
0
0
7e4
0.3
图1颗粒增强复合材料的理想化模型
2.建立模型
完整的前处理过程包括：
设定分析模式；定义单元类型和实常数；定义材料属性；建立
几何模型；划分有限元网格。
下面就结合本实例进行介绍。
2.1选择分析模式
选取菜单项MainMenu|Preferenee，将弹出PrefereneeofGUIFiltering（菜单过滤参数选择）对话框（图4）选中Structural复选框，以便Ansys的主菜单设置为与结构分析相对应的菜单选项。
2.2定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构，分析类型和所分析的问题的精
度要求等，选定适合分析实例的有限元单元类型。
本例中选用8节点实体单元（Plane82），
并且为轴对称模型。
图4选择单元类型
图6定义材料属性
2.4定义模型参数
为了后续工作的方便，在建模之前，首先定义了建模所需参数。
利用Utility
Men|Parameters|ScalarParameters进行定义。
其各项参数如下表：
Help
图7定义模型参数
2.4建立几何模型
单击菜单项MainMenu|Preprocessor|Modeling，先建立矩形平面，然后通过布尔运算形成基体模型，然后建立1/4圆的颗粒模型，选用Glue命令，将两个面粘接到一起。
图6建立实体模型
2.5网格划分
选择MeshTool网格划分工具，首先对线进行划分。
其中，在接触处的L5进行加密，以
便使结果更精确，如图7。
图8划分好的网格
2.6定义边界条件
建立有限元模型后，就需要定义边界条件并施加荷载，才能进行求解。
本实例的位移边
界条件是将模型左侧底面边界上节点的全部位移都约束住。
具体步骤为：
选择Main
Menu|Preprocessor|Loads|DefineLoads|Apply|Structural，定义点选Displacement|OnLines，弹出面选择对话框，要求选择欲对其施加位移约束的线。
完成后的约束如图9。
图9施加边界约束
3•求解
3.1求解
本节中将利用施加的循环压力载荷进行求解。
单击MainMenu〔Solution|AnalysisType
|Sol'Control进行求解设置。
在上边界施加位移，共五次，每施加一次，求解一次，写一个载荷步文件，进行循环求解。
图10在顶端施加位移
3.2查看结果
下面将读入结果数据并在中查看模型的vonMises应力分布。
通过点选ReadResult,分
别查看各个载荷状态下的结果。
以下列出了应变控制下，体积分数为14%的复合材料在第1
个循环结束的等效vonMises应力分布和等效塑性应变分布；第10个循环结束的等效von
Mises应力分布和等效塑性应变分布。
MODAL50L1HIM
5ZE^9
SUB-6
TIME=255EQY住呻
JXX®.1335fl3
5HN-71r«17
5HX=476-45
71-6171E1.5S251.543341.506431.469
11€.593206.5612§6>524306.407476-45
图11第1个循环的等效应力分布图
Hom£OLUTIC®r
STE&=g
SUB=5
TIHE-25
芒餌LEQV[3^}
IMC=.13§563
SHX.=.023138
AN
.005142-010203
.015425
.020567
.002371,007713.01205^
.017996.023138
图13第1个循环的等效塑性应变分布图
SUB
TIME-5€seqv（XVG>
DHX=-,13705
SMff-72.346
SMX.-402.27
254.534
AN
436.723
482.27
117,893
2QS.9B7
300.0B2
391.176
图14第10个循环的等效应力分布图
fTODALSOLUIICH
£UB垂
TTME-55EPPLE（?
ir債陌I£HX-„137&S5KX-,023721
AN
图15第10个循环的等效塑性应变分布图
3.3结果分析
点击TimehistPostproc,进入时间历程处理器，点选最大塑性应变节点155，分别添加
其y向弹性、塑性应变，相加得到总应变，绘制其应力应变曲线如图17。
图16时间历程处理器
应变控制下，体积分数1毬
图17体积分数为14%时最大塑性应变处的应力应变曲线
3.4计算平均应力应变
为了绘制与复合材料应力-应变（有效性能）相关的曲线，还需求出复合材料的平均应
力和平均应变。
在这里，采用体积平均的方法求复合材料在各个时刻的平均应力和应变。
相
应计算公式为：
iV
再次进入时间历程处理器，添加应力最小处的节点1，按公式计算出其平均应力与应变,绘制曲线如图20。
DinwHistoryVariables-fik,rst
ResultItem
N$nnelElrmrnt|NoT*
X-Axis_J
IMinimum
StressY
averaged
155
Y-Componentofstress
■316.364
S15.134
r
strainye-
arveraged
155
Y-Compor>entofclasticstrain
-0.00245892
0.00245938
r
jtirainyp
averaged
155
Y-Co-rriipowntofplasticstrain
-0.02W567
0.0195133
r
stressy
averaged
1
Y-Comporrentofstress
-265.171
2M.49E
r
strainye
averaged
1
Y'Componentofelasticstrain
-0.0）100607
0.0010（X）41
r
slirainyp
averaged
1
Y-Comportentofpld^bcstrain
0
0
r
3
Calculated
-0.0225W
Q..0219727
r
9
Calculated
-0.&0100W7
0.001M043
lL
Calculator
TIME
Time
_d
®l
4扩展
4.1求解
图19添加节点
整体应力-应变握戋
图20体积分数为14%时单轴整体应力-应变循环曲线
将体积分数F改为21，即体积分数为21%重新建立模型进行计算，按照前述方法，再
次获得应力应变曲线如下图:
体积分数21%
Strain,%
图21体积分数为21%时最大塑性应变处的应力应变曲线
体积分数21%,整体
Strain^%
图20体积分数为21%时单轴整体应力-应变循环曲线
4•结语
由以上分析可知，由于颗粒增强体的引入，使得基体抵抗塑性变形的能力增强，体积分
数越大，产生的塑性应变越小；最大塑性产生于增强体与基体界面处，呈45°方向；不断
累积的塑性应变是界面处产生裂纹、剥落并最终破坏的主要方式。
但是需要指出的是，实际
的材料颗粒是随机无规律分布的，单颗粒模型具有对复合材料微结构特征描述不够准确的缺点，仅可作为一种参考。
参考文献：
[1]康国政、阚前华、张娟.大型有限元程序的原理、结构和使用[M].成都：
西南交通大学出版社.2008.
[2]邵雪娇颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的三维有限元模拟[D].成都：
西南交通大学，2009.
[3]沈观林、胡更开.复合材料力学[M]北京：
清华大学出版社.2006.
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