弱界面粘结的纤维增强金属基复合材料细观力学分析

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界面对复合材料的力学性能有重要的影响,开展弱界面粘结对纤维增强金属基复合材料力学性能的影响研究具有重要的工程应用价值和理论意义。 论文采用非线性弹簧元模拟界面,用细观力学有限元法计算分析了不同界面特性下弱界面粘结的纤维增强金属基复合材料的宏细观性能。结果表明弱界面粘结的存在使复合材料宏观性能下降。 对通用单胞模型进行了算法改进,提高了计算效率。双线性弹塑性本构关系及Bodner-Partom弹—粘塑性本构关系都被集成到通用单胞模型中。用改进算法分析了复合材料的弹塑性拉伸和剪切响应,与有限元方法的结果进行了对比,结果表明吻合较好。 将三种界面分离模型引入了改进算法的通用单胞模型中,从而可以模拟复合材料的弱界面粘结和失效。利用考虑了弱界面粘结的通用单胞模型计算分析了柔性界面、常响应界面以及渐进适应界面对金属基复合材料性能的影响。研究表明当界面粘结从强到弱变化时,复合材料的横向弹性模量不断变小。在常响应界面情况下,复合材料横向拉伸应力—应变曲线存在明显的转折点,对应于界面分离的始发点,转折点的位置取决于界面粘结强度。当存在渐进适应界面时,复合材料横向拉伸应力—应变曲线存在三个阶段。1)随着界面开始分离,宏观刚度下降;2)界面应力达到最大值并发生卸载,使得宏观应力达到峰值然后卸载。3)界面完全脱粘,不能有效传递载荷,响应和纯基体材料的拉伸曲线接近。
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