基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析.docx

1、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

2、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 =4r3/3Vf H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

3、，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C1C2C3C4C5C6C7C8C9EXNUXYChaboche2068e410003e52e51600400007e40.3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 Main Menu|Preferenee ，将弹出 Preferenee of GUI F

4、iltering （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UtilityMen|Parameters|Scalar Parameters进行定义。其各项参数如下表：Help图7定义模型参数2.

5、4建立几何模型单击菜单项Main Menu|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 MainMenu|Preprocessor|Loads|Defin

6、e Loads|Apply|Structural ，定义点选 Displacement|On Lines， 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 Mai n MenuSolution |An alysis Type|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 von Mises应力分布。通过点选 Read Result,分别查看各个载荷状态下

7、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 von Mises应力分布和等效塑性应变分布；第 10个循环结束的等效 vonMises应力分布和等效塑性应变分布。MODAL 50L1HIM5ZE9SUB -6TIME=25 5EQY 住呻JXX .1335fl35HN -71r175HX =476-4571-617 1E1.5S 251.543 341.506 431.46911.593 206.561 26524 306.407 476-45图11第1个循环的等效应力分布图Hom OLUTICrSTE&=gSUB =5TIHE-25芒餌 LEQV 3IMC

8、 =.13563SHX. =.023138AN.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SUBTIME-5 seqv (XVGDHX =-,13705SMff -72.346SMX. -402.27254.534AN436.723482.27117,8932QS.9B7300.0B2391.176图14第10个循环的等效应力分布图fTODAL SOLUIICHUB垂TTME-55 EPPLE(?ir 債陌 I HX -137&S 5KX -,023721AN图15第10

9、个循环的等效塑性应变分布图3.3结果分析点击Timehist Postproc,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：i V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

10、。Dinw History Variables - fik,rstResult ItemN$nne lElrmrnt |NoT*X-Axis _JI MinimumStressYaveraged155Y-Component of stress316.364S15.134rstrainye-arveraged155Y-Comporent of clastic strain-0.002458920.00245938rjtirainypaveraged155Y-Co-rriipownt of plastic strain-0.02W5670.0195133rstressyaveraged1Y-Com

11、porre nt of stress-265.1712M.49Erstrainyeaveraged1YComponent of elastic strain-0.0)1006070.0010(X)41rslirainypaveraged1Y-Com portent of pldbc strain00r3Calculated-0.022 5 WQ.0219727r9Calculated-0.&0100W70.001M043lLCalculatorTIMETime_dl4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

12、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.