有限元法分析金屬基復(fù)合材料 有限元與材料科學(xué)方向畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文

1、1 引言1.1研究的目的及意義金屬基復(fù)合材料是在樹脂基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。最初在60年代初期開始有所發(fā)展，但由于當(dāng)時(shí)制備技術(shù)等各種因素的制約，并沒有引起廣泛的注意。進(jìn)入到70年代后期，由于高新技術(shù)對材料的各種性能要求日益提高，金屬基復(fù)合材料以其優(yōu)良的性能引起各國政府、工業(yè)界的重視，被譽(yù)為先進(jìn)復(fù)合材料，與傳統(tǒng)材料相比較，它具有重量輕、高比彈性模量、高比強(qiáng)度、耐疲勞、耐磨損、低能耗、低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，具有在軍事、航天航空、汽車、機(jī)械、電子等各種領(lǐng)域應(yīng)用的可能性1。在高溫下制備復(fù)合材料時(shí)，基體與增強(qiáng)體之間極易發(fā)生有害的界面反應(yīng)，而合適的界面涂層不但能有效阻擋這類反應(yīng)，而且還可以對復(fù)合材料界面

2、殘余應(yīng)力的分布起到一定的調(diào)節(jié)作用2。在復(fù)合材料使用過程中，由于基體和纖維性能的差異，熱殘余應(yīng)力的存在不可避免，它對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著重要影響，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致基體開裂，因此受到人們的高度重視3。由于材料不同且具有不同力學(xué)性能的界面層，其厚度和性能會對復(fù)合材料的有效性能產(chǎn)生劇烈的影響4，所以合適的界面厚度使得基體與基體的界面結(jié)合適中，有利于材料性能的提高5。研究表明，金屬基復(fù)合材料的內(nèi)部殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的力學(xué)性能具有重大影響, 為了預(yù)測金屬基復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小及影響，許多學(xué)者都致力于研究金屬基復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的理論計(jì)算模型6。廣義地說，殘余應(yīng)力是一種普遍存在的現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的

3、原因也是多種多樣的。金屬基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生必須具備的條件有：(1)基體與增強(qiáng)體之間界面結(jié)合良好；(2)溫度變化；(3)增強(qiáng)體與基體之間的熱膨脹系數(shù)差異7。而這些簡化模型的界面層具有一定的厚度，界面結(jié)合的好壞由界面層材料力學(xué)性能來表征8。并且建立一些模型對于分析和理解熱殘余應(yīng)力的分布特征和變化趨勢是非常用的9。幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的快速發(fā)展，引發(fā)了數(shù)值模擬技術(shù)的熱潮，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)問、節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，而且對研究殘余應(yīng)力對復(fù)合材料性能的作用規(guī)律、促進(jìn)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展都具有重大意義6。因此全面了解復(fù)合材料殘余應(yīng)力的各種影響因素、殘余應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)

4、律，對復(fù)合材料的強(qiáng)度估算和壽命預(yù)測等具有重要的指導(dǎo)意義2。1.2研究現(xiàn)狀盡管金屬基復(fù)合材料目前尚未獲得大規(guī)模應(yīng)用，但這些性能均可在一定范圍內(nèi)加以設(shè)計(jì)，必定存在著能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域，會有更加廣闊的前景9。隨著力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，金屬基復(fù)合材料的力學(xué)分析得到了很大進(jìn)步。在其力學(xué)模型方面，用有限元計(jì)算技術(shù)與力學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)來進(jìn)行研究10。又鑒于復(fù)合材料的成型工藝占其成本的60%70%，所以研究發(fā)展高效、省時(shí)、低能耗、設(shè)備簡單、能實(shí)現(xiàn)近似無余量成型的工藝方法是當(dāng)務(wù)之急11。殘余應(yīng)力決定了復(fù)合材料變形的特殊性，大量研究人員對此進(jìn)行了深入的研究，并取得了重大進(jìn)展12。從有關(guān)文獻(xiàn)與

5、資料可以得知，數(shù)十年來，美、法、俄、德、日等國家對金屬基復(fù)合材料殘余應(yīng)力的抑制與消除技術(shù)上的理論研究一直非常重視，在實(shí)際生產(chǎn)工藝中也達(dá)到了相當(dāng)高的工藝水平13。對熱殘余應(yīng)力分布的影響分析中，我國權(quán)高峰等人進(jìn)行了彈塑性分析計(jì)算，結(jié)果表明單程變溫造成的微觀熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力其絕對值均沿徑向按指數(shù)或?qū)?shù)規(guī)律減小，而且受熱或冷卻時(shí)基體中的屈服首先發(fā)生在界面處，并逐漸向基體中擴(kuò)展14。王玉慶等15對涂層在復(fù)合材料中的力學(xué)行為進(jìn)行了理論分析,指出界面殘余應(yīng)力是熱膨脹系數(shù)與彈性模量綜合作用的結(jié)果,高模量涂層在熱膨脹系數(shù)低時(shí)才能減小界面殘余應(yīng)力,而低模量涂層不論熱膨脹系數(shù)大小均能減小界面殘余應(yīng)力。丁向東等16運(yùn)

6、用軸對稱有限元法得出殘余應(yīng)力會降低拉伸過程中的應(yīng)力傳遞，加強(qiáng)壓縮過程中應(yīng)力傳遞，使復(fù)合材料室溫抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度。馬志軍等17以SiC/Ti-24Al-11V為研究對象，分析了纖維體積分?jǐn)?shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系，得出纖維體積分?jǐn)?shù)也會對殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。國外對材料中熱殘余應(yīng)力的分析也有一些成果。諸如Harris等18提出垂直于纖維方向的熱殘余應(yīng)力模型，并假設(shè)纖維被埋在具有復(fù)合材料宏觀屬性的等效基體中，利用等效彈性模量得出接觸壓力與纖維組分之間的關(guān)系。Nairn等19首先針對含有均勻界面相的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。Jayaraman等15給出三種含有性能梯度界面的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力分布。Mitak

7、a等20給出四相模型（纖維、界面相、樹脂、等效基體）。Kim和Mai等21通過單絲三相模型建立界面相參數(shù)與纖維樹脂接觸壓力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)下運(yùn)用計(jì)算機(jī)及有限元技術(shù)進(jìn)行計(jì)算仿真成為熱門，國內(nèi)外也將其運(yùn)用于航空、電子和汽車等行業(yè)。先以CAD/CAM技術(shù)為例，德國COPRA系統(tǒng)能完成設(shè)計(jì)、成型工藝過程模擬、生產(chǎn)圖紙、成本計(jì)算、毛坯管理、計(jì)算機(jī)數(shù)控制造、質(zhì)量控制的整個(gè)過程的全面的、集成化的軟件解決方案，具有獨(dú)特的成型過程模擬與優(yōu)化技術(shù)和高效率的成本計(jì)算功能。而國內(nèi)工作人員吸收了國外的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，也取得了一些成績22。再以CAE技術(shù)為例，美國DEFORM仿真模擬的應(yīng)用將大大減少生產(chǎn)過程中不必要的流程不

8、但保證產(chǎn)品質(zhì)量而且提高工作效益。國內(nèi)在塑性成形模擬軟件方面跟國際上相比還存在很大的差距，但也相繼開發(fā)一些軟件23。例如我國三一重工泵送機(jī)械公司就利用有限元分析的方法指導(dǎo)開展工藝方法的研究，公司主要仿真焊接變形情況24。1.3鈦基復(fù)合材料的熱殘余應(yīng)力熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因在金屬基復(fù)合材料的制備和使用過程中，熱殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和存在是不可避免的，并且成為金屬基復(fù)合材料的一大本質(zhì)特征26。究其熱殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因，一般不外乎以下幾個(gè)：（1）由于溫度梯度引起的應(yīng)力，即溫度梯度誘導(dǎo)熱殘余應(yīng)力；（2）在均勻溫度下由于基體金屬和纖維熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應(yīng)力，這是由于復(fù)合材料組分的本質(zhì)屬性所決定的；（3）

9、由于界面反應(yīng)或是基體相變引起復(fù)合材料局部體積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。由于（1）和（3）所產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的影響較小，并且通過適當(dāng)?shù)拇胧┛梢詼p小甚至避免，所以，在目前的大部分研究當(dāng)中，熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱殘余應(yīng)力是人們關(guān)注的重點(diǎn)。有限元分析表明，一般在界面附近，基體處于較大的環(huán)向拉應(yīng)力和徑向的壓應(yīng)力狀態(tài)（沿纖維方向?yàn)檩S向），所以，熱殘余應(yīng)力對界面的影響最大，進(jìn)而通過界面影響復(fù)合材料的性能。在復(fù)合材料的界面處，常會發(fā)現(xiàn)一些垂直于界面的裂紋，特別是纖維距離較近時(shí)，顯然，界面處的環(huán)向殘余拉應(yīng)力是其產(chǎn)生的直接原因之一。另外，界面附近的環(huán)向應(yīng)力有突變，應(yīng)力梯度非常大，Warrier

10、等人27研究表明，在橫向載荷作用下，應(yīng)力突變點(diǎn)將會導(dǎo)致裂紋萌生和界面脫粘。A. Hutson28等人指出，徑向熱殘余應(yīng)力的大小直接影響復(fù)合材料中纖維和基體間界面剪切強(qiáng)度的大小，由于熱殘余應(yīng)力的大小隨溫度變化明顯，所以界面剪切強(qiáng)度也會受溫度變化的影響，進(jìn)而影響復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能。熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響非常復(fù)雜，并且一般不會直接作用，而是通過其它條件影響復(fù)合材料。另外，熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度以及橫向拉伸性能也有不同程度的影響。由于考慮了熱殘余應(yīng)力的影響，使人們對復(fù)合材料的力學(xué)性能有了更清楚的了解。1.3.2熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料性能的影響復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力大于基體

11、材料屈服強(qiáng)度時(shí)，殘余應(yīng)力部分松弛，基體合金中產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，從而使復(fù)合材料屈服強(qiáng)度提高。研究表明，SiCAI復(fù)合材料殘余應(yīng)力使界面附近基體位錯(cuò)密度提高12個(gè)數(shù)量級29。這種情況下，有限元模擬得出的殘余應(yīng)力值高于實(shí)際值，為殘余應(yīng)力上限。張國定等30測定了SiCAl中單根纖維周圍的硬度分布，界面附近基體硬度最大(是無應(yīng)力狀態(tài)下的4倍左右)，遠(yuǎn)離界面硬度下降直到基體合金原始硬度。這種小范圍內(nèi)力學(xué)性能的巨大變化，證實(shí)了界面附近區(qū)域高密度位錯(cuò)的存在。復(fù)合材料界面殘余應(yīng)力對橫向力學(xué)性能有重要作用。MMAghdam等31模擬了具有CTiB2涂層的SiCTi基復(fù)合材料在橫向拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)行為，其纖維排布幾

12、何模型為四方排布模型。他認(rèn)為復(fù)合材料橫向壓縮強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的2倍左右，這是因?yàn)榛w楊氏模量低于纖維楊氏模量，橫向拉伸載荷作用下基體沿軸向的收縮大于纖維沿軸向的收縮，導(dǎo)致界面受剪，且受剪方向與熱膨脹系數(shù)差異引起的界面殘余剪切應(yīng)力方向一致，從而引起界面剪切強(qiáng)度降低、纖維脫粘，復(fù)合材料提前失效；材料受壓時(shí)。情況正好相反。所以，界面殘余剪切應(yīng)力對弱結(jié)合界面的橫向拉伸強(qiáng)度不利。另外，由于C的強(qiáng)度低于TiB2，因此在拉伸載荷達(dá)到250MPa失效首先發(fā)生在fc界面，當(dāng)載荷增加到440MPa后，cm界面正方形對角線方向開始脫粘。原因在于TiB2的楊氏模量與熱膨脹系數(shù)都較高，從而在cm界面產(chǎn)生了很高的周向拉伸應(yīng)

13、力和徑向壓縮應(yīng)力，但周向與徑向殘余應(yīng)力在垂直于纖維方向的平面內(nèi)具有明顯的各向異性，界面正方形對角線方向周向拉伸應(yīng)力最大，徑向壓縮應(yīng)力最小，且當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)大于某一臨界值后，此處徑向應(yīng)力甚至變?yōu)槔鞝顟B(tài)32。隨著復(fù)合材料界面徑向殘余壓應(yīng)力的減小，界面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度減弱，對弱結(jié)合界面橫向強(qiáng)度不利。復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的分析方法對于金屬基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的分析主要通過實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析的方法。而在實(shí)驗(yàn)研究中，以前的有損分析，包括鉆孔法、環(huán)芯法等，由于對材料的破壞性，幾乎已經(jīng)不用，取而代之的是無損分析，例如X射線衍射和中子衍射等。（1）X射線衍射和中子衍射利用X射線和中子衍射對材料熱殘余應(yīng)力進(jìn)行測量受

14、到廣泛關(guān)注，特別是X射線衍射測量熱殘余應(yīng)力。X射線應(yīng)力測定在理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及方法上已取得了很大的進(jìn)展，如sin2法的提出、測角儀的發(fā)明和計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器控制與數(shù)據(jù)處理方面的普遍應(yīng)用等等，使其成為材料科學(xué)和工程技術(shù)上令人感興趣、重要的研究手段33。中子衍射由于受中子源的限制，遠(yuǎn)沒有X射線衍射應(yīng)力測量普及。但是由于中子具有大的穿透深度，中子衍射可以測量材料內(nèi)部一定深度的熱殘余應(yīng)力。Rangaswamy等對X 射線衍射和中子衍射法測量復(fù)合材料殘余應(yīng)變進(jìn)行了比較。表1-1 是他們對SiCf/Ti-6Al-4V 復(fù)合材料的基體分別采用X 射線衍射和中子衍射方法進(jìn)行的熱殘余應(yīng)力分析結(jié)果。表1-1 X射線衍

15、射和中子衍射法測量的復(fù)合材料基體中的殘余應(yīng)變（/）物質(zhì)X射線誤差中子誤差（105）2396±3183022±1134（204）2227±5392269±421（213）2640±3122623±85（312）1904±4242833±103（300）2974±3212617±99從表中可以看出，在平面應(yīng)變測量過程中X射線衍射和中子衍射在很大程度上保持了一致性。另外他們還利用中子衍射對所用金屬基復(fù)合材料中纖維的應(yīng)變進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1-2所示。表1-2 中子衍射法測量的復(fù)合材料纖維的殘余應(yīng)變（/

16、）物質(zhì)中子誤差（220）-1273±19（440）-11220±56為了研究復(fù)合材料某一微小區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力分布狀況,可以采用微小X 射線束進(jìn)行測量。Adachi 等34用微小X射線束測量了多層復(fù)合材料層間應(yīng)力分布，測量結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本相符。 （2）基片彎曲法其原理示意圖如圖1 所示。為了避免一般機(jī)械加工手段介入其它應(yīng)力影響, 利用電拋光或者化學(xué)腐蝕的方法剝掉試樣表面層, 在熱殘余應(yīng)力的作用下, 試樣發(fā)生彎曲, 測量曲率半徑, 計(jì)算殘余應(yīng)力的大小, 逐層剝離便可計(jì)算熱殘余應(yīng)力在z 軸方向上的分布35。圖1-1( a) 是剝掉試樣表面一層的方法, 其前提是假設(shè)熱殘余應(yīng)

17、力是單向應(yīng)力(Y方向) 而忽略了橫向應(yīng)力的影響, 這并不符合實(shí)際情況, 如果剝層的長徑比過大, 則可忽略橫向應(yīng)力的影響, 如圖1-1( b) 所示, 并且可以增大試樣彎曲的曲率半徑，減小系統(tǒng)誤差。一般情況下, 基片彎曲法需要高的加工精度, 而且受纖維均勻排布程度的影響很大。圖1-1基片彎曲法測量熱殘余應(yīng)力原理示意圖（3）激光拉曼光譜法激光拉曼光譜法36可以用來測量纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力, 復(fù)合材料受力后, 隨著拉應(yīng)力的增加, 原子間距增加, 原子振動(dòng)頻率下降; 反之在壓縮應(yīng)力下, 原子間距減小, 原子振動(dòng)頻率增加。這種振動(dòng)頻率的變化可以用激光拉曼光譜測定出來。War d 等37用拉曼

18、光譜法測量了兩種不同SiC 纖維金屬基復(fù)合材料的殘余應(yīng)力, 結(jié)果表明, 在兩種不同SiC 纖維上的軸向殘余應(yīng)力分別為- 850MPa和- 590MPa, 這與用連續(xù)同軸圓柱模型計(jì)算出的應(yīng)力值相似。（4）選擇基體腐蝕法這種方法首先選擇要腐蝕的基體范圍,進(jìn)行基體腐蝕, 然后測量由于應(yīng)力釋放而松弛的纖維相對于仍包含在基體內(nèi)的纖維的長度, 計(jì)算纖維的軸向應(yīng)變, 進(jìn)而推出纖維和基體的平均熱殘余應(yīng)力38。這種方法雖然簡單易行, 但對纖維長度測量精度要求較高, 而且測量結(jié)果也受纖維排布情況的影響。（5）電子莫爾波紋和頂出實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法電子莫爾波紋方法是一種具有高靈敏度測量形變的方法, 如圖1-2( a)

19、所示。利用這種測量形變的方法再結(jié)合頂出實(shí)驗(yàn)39（圖1-2( b)），可以測量纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維-基體界面熱殘余應(yīng)力。在纖維被頂出的過程中, 界面上的殘余應(yīng)力徹底釋放, 同時(shí), 所釋放的殘余應(yīng)力對應(yīng)的殘余應(yīng)變可以通過電子莫爾波紋的方法測量, 最后由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算出界面處的熱殘余應(yīng)力, 當(dāng)熱殘余應(yīng)力不超過材料的屈服應(yīng)力時(shí), 可以直接利用虎克定律來計(jì)算。Xing等40 利用這種方法成功測量了SiC/Ti復(fù)合材料界面熱殘余應(yīng)力。但是利用這種方法測量出的界面上的熱殘余應(yīng)力只考慮了被頂出纖維對應(yīng)力的影響, 而忽略了周圍纖維對界面上熱殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)。圖1-2 頂出實(shí)驗(yàn)示意圖和電子莫爾波紋（6）理論

20、分析的方法理論分析復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的分布, 目前大概有兩種,一種是利用簡化同軸圓柱模型, 采用力學(xué)基本公式, 再加上邊界條件和變形協(xié)調(diào)方程進(jìn)行近似的理論推導(dǎo)。另一種是計(jì)算機(jī)有限元模擬復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的分布狀況。理論分析的方法能借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)快速運(yùn)算能力方便、快捷地模擬出復(fù)合材料的熱殘余應(yīng)力, 特別是對于實(shí)驗(yàn)測定難以實(shí)現(xiàn)的熱殘余應(yīng)力分析, 例如復(fù)合材料界面處的應(yīng)力分布。 由于實(shí)際問題的復(fù)雜性，要從理論上求解熱殘余應(yīng)力的方程式往往是不可能的。近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析方法則為解決復(fù)雜的熱分析計(jì)算問題提供了有效途徑。有限元法是一種經(jīng)典的工程數(shù)學(xué)方法，它源于彈性

21、力學(xué)的計(jì)算，有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)接在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)接方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解區(qū)域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示全求解區(qū)域上待求的未知場函數(shù)，單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。這樣一來，一個(gè)問題的有限元分析中，未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量（即自由度），從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過

22、插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。它具有方便性、實(shí)用性、有效性、靈活性、適應(yīng)性、幾何模型離散程度高，計(jì)算精度高的特點(diǎn)，因而成為行之有效的工程分析手段，備受人們關(guān)注41。因此本課題應(yīng)用有限元分析方法。1.3.4降低熱殘余應(yīng)力的方法如何降低熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料性能的提高有很大的實(shí)際意義，從熱殘余應(yīng)力的影響因素出發(fā)，改善其分布狀況的方法主要有以下幾種：（1）纖維和基體熱膨脹系數(shù)的不匹配性是造成熱殘余應(yīng)力的主要原因，所以，要降低熱殘余應(yīng)力的大小，首先要降低纖維和基體熱膨脹系數(shù)的不匹配性42。（2）選擇基體材料的力學(xué)性能43。（3）界面設(shè)計(jì)。（4）合理的纖維排布方式和

23、纖維含量44。（5）合理的熱加工工藝參數(shù)45。1.4鈦基復(fù)合材料界面反應(yīng)復(fù)合材料界面在金屬基復(fù)合材料中存在著大量的增強(qiáng)材料和基體之間的界面，增強(qiáng)材料的比例越高，增強(qiáng)材料的尺寸越小，則這種界面就越多。界面區(qū)包含了基體與增強(qiáng)體的接觸連接面，基體與增強(qiáng)體相互作用生成的反應(yīng)產(chǎn)物和析出相，增強(qiáng)體的表面涂層作用區(qū)，元素的擴(kuò)散和偏聚層，近界面的高密度位錯(cuò)區(qū)等。界面結(jié)合的狀態(tài)對復(fù)合材料的宏觀性能起著重要的作用。金屬基復(fù)合材料的界面類型可以分為三類：類界面是平整的而且只有分子層厚度,界面除了原組成物質(zhì)外,基本上不含其它物質(zhì)；類界面為原組成物質(zhì)構(gòu)成的犬牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)散界面；類界面則有微米級左右的界面反應(yīng)物層25。

24、不同條件下同樣組成物質(zhì)可以構(gòu)成不同類型界面。其界面結(jié)合主要是物理、化學(xué)和機(jī)械結(jié)合三種結(jié)合。化學(xué)結(jié)合方式就是當(dāng)增強(qiáng)相和基體之間發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)鍵合可以使增強(qiáng)相和基體之間產(chǎn)生強(qiáng)結(jié)合。界面是復(fù)合材料的特征，界面的結(jié)構(gòu)大致包括：界面的結(jié)合力、界面的區(qū)域（厚度）和界面的微觀結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面。界面及其附近區(qū)域的性能、結(jié)構(gòu)都不同于基體本身的結(jié)構(gòu)，因而構(gòu)成了界面層。SiC纖維Ti之間生成的界面含有微米級左右的界面反應(yīng)物質(zhì)，纖維之間形成新的化合物層，即界面反應(yīng)層。界面反應(yīng)層不是單一的化合物。一般情況下，隨反應(yīng)程度增加，界面結(jié)合強(qiáng)度亦增大，但是由于界面反應(yīng)產(chǎn)物多為脆性物質(zhì)，所以當(dāng)界面層達(dá)到一定厚度

25、時(shí)，界面上的殘余應(yīng)力會使界面破壞，反而降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。在金屬基復(fù)合材料中，界面對材料內(nèi)載荷的傳遞、微區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變的分布、殘余應(yīng)力、增強(qiáng)機(jī)制和斷裂過程，以及導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹等物理和力學(xué)性能有著極為重要的作用和影響。界面的結(jié)構(gòu)和性能是影響基體和增強(qiáng)體性能充分發(fā)揮形成最佳綜合性能的關(guān)鍵25。連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，對纖維的強(qiáng)度和模量比對基體要高。纖維是主要承載體，因此要求界面能有效地傳遞載荷，調(diào)解材料內(nèi)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展，界面結(jié)合強(qiáng)度必須適中。界面反應(yīng)對復(fù)合材料性能的影響TMC采用不同的制備技術(shù)時(shí)，基體鈦合金或鈦鋁金屬間化合物與增強(qiáng)體SiC纖維通過兩者間的界面而結(jié)合在一起的。TMC所承受的

26、載荷是通過界面由基體傳遞到纖維上的。因此，纖維基體之間界面的結(jié)合狀態(tài)與結(jié)合強(qiáng)度、界面的化學(xué)反應(yīng)對復(fù)合材料的性能有著很大的影響。在其研制的過程中，必須對界面問題給以足夠的重視。其中界面化學(xué)反應(yīng)尤為重要。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法分為固態(tài)法和液態(tài)法兩類。液態(tài)法通常簡單易行、成本低廉，但難以控制劇烈的界面反應(yīng)，而且難以實(shí)現(xiàn)纖維在基體中的分布均勻性。固態(tài)法包括箔纖維箔法（Foil-Fiber-Foil，常簡寫為FFF）、漿料帶鑄造法、等離子噴涂法以及纖維涂層法（Fiber-Coating Method，常簡寫為FCM）等。在制備與服役過程中，纖維與基體之間不可避免的會發(fā)生元素的擴(kuò)散和界面化學(xué)

27、反應(yīng)，界面反應(yīng)和反應(yīng)程度決定了界面結(jié)構(gòu)和特性，其主要行為有：（1）增強(qiáng)了鈦合金基體與增強(qiáng)纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度。強(qiáng)的界面結(jié)合狀態(tài)下，當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋在復(fù)合材料中擴(kuò)展遇到纖維，在界面處不會發(fā)生脫粘，裂紋則繼續(xù)發(fā)展穿越纖維，纖維增韌的拔出機(jī)制不起作用，會造成復(fù)合材料的脆性斷裂。（2）產(chǎn)生多種脆性的反應(yīng)產(chǎn)物。脆性的界面反應(yīng)區(qū)常常是復(fù)合材料破壞的裂紋起始源。高溫下，界面反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，將對復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。（3）造成纖維損傷和改變基體成分。盡管復(fù)合材料中的纖維常常帶有保護(hù)涂層，但是卻不能完全阻止反應(yīng)的發(fā)生。一旦涂層被消耗，反應(yīng)延伸到纖維本身，將會使纖維的性能急劇下降。另一方面，界面反應(yīng)會改變界面

28、附近基體的化學(xué)成分，造成TMC的塑性下降。SiC纖維中的元素C還會擴(kuò)散到遠(yuǎn)離界面的基體中，降低基體合金的韌塑性，并會形成復(fù)雜化合物Ti3AlC，這將會使材料性能進(jìn)一步降低。總之，如何控制復(fù)合材料的界面反應(yīng)，形成最佳的界面結(jié)構(gòu)，是關(guān)鍵問題。是TMC能夠形成有效傳遞載荷、調(diào)節(jié)應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展的穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。1.5研究內(nèi)容及研究方法在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，由于顆粒和基體的熱膨脹系數(shù)差別很大，復(fù)合材料在制備冷卻的溫度變化過程中帶來顆粒和界面附近很大的熱殘余應(yīng)力場，從而對材料尺寸穩(wěn)定性有重要的影響。因此為提高金屬基復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性和使用精度，有必要對其內(nèi)部微觀應(yīng)力場進(jìn)行分析評價(jià)，并分析其形

29、成機(jī)理，從而提出合理的制備工藝，降低熱殘余應(yīng)力，提高材料的內(nèi)在質(zhì)量。熱殘余應(yīng)力是一種自平衡的非均勻應(yīng)力場，尤其是在界面附近，一般處于多方向的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。因此，精確測定復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的大小是非常困難的。目前的試驗(yàn)方法所測的復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力，都是某一尺度范圍內(nèi)的平均熱殘余應(yīng)力，其致命的弱點(diǎn)就是不能反映復(fù)合材料界面及其附近復(fù)雜的應(yīng)力變化情況。而理論計(jì)算熱殘余應(yīng)力則可以從根本上克服這一弊端。理論分析復(fù)合材料中熱殘余應(yīng)力的大小和分布，目前主要有兩種方法，一種是利用同軸圓柱模型，由于計(jì)算過程中復(fù)雜的邊界條件和變形協(xié)調(diào)問題，最后得到的基本上是各式各樣的經(jīng)驗(yàn)公式。另一種方法則是利用有限元分析軟件模擬

30、復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力。該方法能形象直觀地反映熱殘余應(yīng)力的分布狀況。在有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)中，大都簡化應(yīng)用了比較理想的增強(qiáng)相周期性分布的材料模型。一般地，采用FFF法會得到纖維的四方排布和采用FCM法會得到纖維的六方排布。根據(jù)這兩種纖維排布的對稱性和周期性，可采用1/4纖維模型作為代表性單元進(jìn)行有限元模擬。 本課題采用二維平面應(yīng)變模型，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件來建立復(fù)合材料的有限元模型，以此來模擬復(fù)合材料中應(yīng)力的分布狀況。還要模擬冷卻過程中復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力的變化過程及冷卻后熱殘余應(yīng)力的分布狀況。最后通過改變界面層厚度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等材料性能來分析殘余應(yīng)力的變化情況。 2 ABAQ

31、US有限元分析基礎(chǔ)2.1有限元法及ABAQUS軟件介紹有限元法是一種高效能、常用的計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。不同于求解滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。有限元法從選擇基本未知量的角度來看

32、，可以分為三類：位移法，力法和混合法。以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點(diǎn)位移，另一部分以節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。由于位移法通用性較強(qiáng)，計(jì)算機(jī)程序處理簡單方便，因此得到廣泛的應(yīng)用。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；增加產(chǎn)品和工程的可靠性；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本；在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。簡言之，有限元分

33、析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。 隨著工業(yè)發(fā)展和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷提高，CAD、CAE、CAM越來越受到大家的關(guān)注，而有限元被認(rèn)為是最成熟的分析手段之一，其中ABAQUS是國際上最先進(jìn)的有限元分析軟件之一。它具有強(qiáng)健的計(jì)算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。ABAQUS能為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來又非常簡單。大量的復(fù)雜問題可以通過選項(xiàng)塊的不同組合很容易的模擬出來。例如，對于復(fù)雜多構(gòu)件問題的模擬是通過把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項(xiàng)塊與相應(yīng)

34、的材料性質(zhì)選項(xiàng)塊結(jié)合起來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。在一個(gè)非線性分析中， ABAQUS 能自動(dòng)選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇合適參數(shù)，而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中有效地得到精確解。用戶通過準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。所以本課題也采用此有限元分析軟件。2.2 ABAQUS軟件界面介紹 其主窗口包括以下部分（如圖2-1）： 圖2-1 ABAQUS 6.9的主界面（1）標(biāo)題欄標(biāo)題欄顯示當(dāng)前版本及模型數(shù)據(jù)庫的名稱（2）環(huán)境欄ABAQUS包括一系列的功能模塊（module），每一模塊能完

35、成模型的一種特定功能。通過這個(gè)module列表可以在各功能之間進(jìn)行切換。（3）工具欄工具欄提供了菜單功能的快捷訪問方式。（4）主菜單通過對菜單的操作，可以調(diào)用ABAQUS的全部功能。用戶選擇不同的功能模塊時(shí)，菜單欄中包括的菜單項(xiàng)也會有所不同。（5）模型樹模型樹直觀的顯示出模型的各個(gè)組成部分，如部件、材料、分析步、載荷和輸出要求等。使用模型樹可以更方便的在各功能之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)主菜單和工具欄提供的大部分功能。（6）工具區(qū)當(dāng)用戶進(jìn)入某一功能模塊時(shí)，工具區(qū)就會顯示該功能模塊相應(yīng)的工具，幫助用戶快速調(diào)用該模塊的功能。（7）視圖區(qū)用戶在這個(gè)區(qū)域作圖。（8）提示區(qū)在進(jìn)行各種操作時(shí)，會在這里顯示相應(yīng)的提示

36、。（9）信息區(qū)和命令行接口顯示狀態(tài)信息和警告。鍵入命令和數(shù)學(xué)表達(dá)式。2.3 ABAQUS分析步驟有限元分析包括以下三個(gè)步驟：前處理、分析計(jì)算、后處理。（1）前處理（ABAQUS/CAE）在前處理階段需要定義物理問題的模型，并生成一個(gè)ABAQUS輸入文件。ABAQUS/CAE是完整的ABAQUS運(yùn)行環(huán)境，可以生成ABAQUS模型、交互式的提交和監(jiān)控分析作業(yè)，并顯示分析結(jié)果。ABAQUS/CAE分為若干個(gè)功能模塊，每一個(gè)模塊定義了模擬過程的一個(gè)方面，例如，定義幾何形狀、材料性質(zhì)和網(wǎng)格等。建模完成后，ABAQUS/CAE可以生成ABAQUS輸入文件，提交給ABAQUS/Standard。（2）分析計(jì)

37、算（ABAQUS/Standard）在分析計(jì)算階段，使用ABAQUS/Standard求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型，通常以后臺方式運(yùn)行，分析結(jié)果保存在二進(jìn)制文件中，以便于后處理。（3）后處理（ABAQUS/Viewer）后處理部分可以讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以多種方式顯示分析結(jié)果，包括彩色云紋圖、動(dòng)畫、變形圖和XY曲線圖等。2.4ABAQUS/CAE的功能模塊 Part功能模塊ABAQUS/CAE中的模型由一個(gè)或多個(gè)部件構(gòu)成，用戶可以在Part功能模塊中創(chuàng)建和修改各個(gè)部件，具體包括以下功能：（1）主菜單Part 創(chuàng)建柔體部件、離散剛體部件或解析剛體部件，對它們進(jìn)行復(fù)制、重命名、刪除、鎖定和解除鎖定

38、等操作。（2）主菜單Shape 通過創(chuàng)建拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、倒角和放樣等特征來定義不見得幾何形狀。（3）主菜單Feature 編輯、重新生成、抑制、恢復(fù)和刪除幾何部件的特征。（4）主菜單Tools 定義集合、基準(zhǔn)、剛體部件的參考點(diǎn)，分割部件。 Property(特性)功能模塊在ABAQUS/CAE中，不能直接指定單元或幾何部件的材料特性，而是要首先定義相應(yīng)的截面屬性，然后指定截面屬性的材料，再把此截面屬性賦予相應(yīng)的部件。主要可以完成以下操作：（1）主菜單Material 創(chuàng)建和管理材料。（2）主菜單section 創(chuàng)建和管理截面屬性。（3）主菜單Profile 創(chuàng)建和管理梁截面。（4）主菜單Sp

39、ecialSkin 在三維物體的某一個(gè)面或軸對稱物體的一條邊上附上一層皮膚，這種皮膚的材料可以與物體原來的材料不同。（5）主菜單Assign 指定部件的截面、取向、法線方向和切線方向。 Assembly（裝配）功能模塊每個(gè)部件都被創(chuàng)建在自己的局部坐標(biāo)系中，在模型中相互獨(dú)立。使用這個(gè)模塊可以為各個(gè)部件創(chuàng)建實(shí)體，并在整體坐標(biāo)系中為這些實(shí)體定位，形成一個(gè)完整的裝配件。實(shí)體是部件在裝配件中的一種映射，用戶可以為一個(gè)部件重復(fù)地創(chuàng)建多個(gè)實(shí)體，每個(gè)實(shí)體總是保持著和相應(yīng)部件的聯(lián)系。如果在Part功能模塊中修改部件的形狀尺寸，或在Property功能模塊中修改部件的材料特征，這個(gè)部件相應(yīng)的實(shí)體就會自動(dòng)隨之改變，

40、不能直接對實(shí)體進(jìn)行上述修改。在Assembly功能模塊中主要可以進(jìn)行以下操作：（1）主菜單Instance 創(chuàng)建實(shí)體，通過平移和旋轉(zhuǎn)來為實(shí)體定位，把多個(gè)實(shí)體合并為一個(gè)新的部件，或者把一個(gè)實(shí)體切割（cut）為多個(gè)新的部件。（2）主菜單Constraint 通過建立各個(gè)實(shí)體間的位置關(guān)系來為實(shí)體定位，包括面與面平行、面與面相對、邊與邊平行、邊與邊相對、軸重合、點(diǎn)重合、坐標(biāo)系平行等。 Step（分析步）功能模塊使用主菜單Step下的各菜單項(xiàng)可以創(chuàng)建和管理各個(gè)分析步。ABAQUS/CAE的分析過程是由一系列的分析步組成的，其中包括兩種分析步。（1）初始分析步 ABAQUS/CAE會自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)初始分析步

41、，可以在其中定義模型初始狀態(tài)下的邊界條件和相互作用（interaction）。初始分析步只有一個(gè)，名字是“Initial”,它不能被編輯、重命名、替換、復(fù)制或刪除。（2）后續(xù)分析步 在初始分析步之后，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)或多個(gè)后續(xù)分析步，每個(gè)后續(xù)分析步描述一個(gè)特定的分析過程，例如載荷或邊界條件的變化、部件之間相互作用的變化、添加或去除某個(gè)部件等等。創(chuàng)建后續(xù)分析步時(shí)可以選擇它的類型，主要包括兩大類：（1）通用分析步（general analysis step） 可以用于線性或非線性分析。常用的通用分析步包括以下類型Static,General(進(jìn)行靜力分析)；Dynamics,Implicit(進(jìn)行隱式

42、動(dòng)力分析)；Dynamics，Explicit(進(jìn)行顯式動(dòng)態(tài)分析)。（2）線性攝動(dòng)分析步（Linear perturbation step） 只能用來分析線性問題。在ABAQUS/ Explicit中不能使用線性攝動(dòng)分析步。 Interaction(相互作用)功能模塊在Interaction功能模塊中，主要可以定義模型的以下相互作用。（1）主菜單Interaction 定義模型的各部分之間或模型與外部環(huán)境之間的力學(xué)或熱相互作用，例如接觸、彈性地基、熱輻射等。（2）主菜單Constraint 定義模型各部分之間的約束關(guān)系。（3）主菜單Connector 定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間的連接

43、單元（Connector），用來模擬固定連接、鉸接、恒定速度連接、止動(dòng)裝置、內(nèi)摩擦、失效條件和鎖定裝置等。（4）主菜單SpecialInertia 定義慣量（包括點(diǎn)質(zhì)量/慣量、非結(jié)構(gòu)質(zhì)量和熱容）。（5）主菜單SpecialCrack 定義裂紋。（6）主菜單SpecialSprings 定義模型中的兩點(diǎn)之間或模型與地面之間的彈簧和阻尼器。（7）主菜單Tools 常用的菜單項(xiàng)包括Set(集合)、Surface（面）和Amplitude(幅值)等。 Load(載荷)功能模塊在Load(載荷)功能模塊中，主要可以定義載荷、邊界條件、場變量（field）和載荷狀況（load case）。（1）載荷點(diǎn)擊主

44、菜單LoadCreate,可以定義以下類型的載荷： Concentrated Force:施加在節(jié)點(diǎn)或幾何實(shí)體定點(diǎn)上的集中力，表示為力在三個(gè)方向上的分量。 Moment: 施加在節(jié)點(diǎn)或幾何實(shí)體定點(diǎn)上的彎矩，表示為力矩在三個(gè)方向上的分量。 Pressure:單位面積載荷（載荷的方向總是與面或邊垂直，正值為壓力，負(fù)之為拉力）。 Body Force:單位體積上的體力。 Generalized Plane Strain:廣義平面應(yīng)變載荷，它施加在由廣義平面應(yīng)變單元所構(gòu)成區(qū)域的參考點(diǎn)上。 Connector Force:施加在連續(xù)單元上的力。溫度和電場變量。（2）邊界條件使用主菜單BC可以定義以下類型

45、的邊界條件：對稱/反對稱/固支、位移/轉(zhuǎn)角、速度/角速度、加速度/角加速度、連續(xù)單元位移/速度/加速度、溫度、聲音壓力、孔隙壓力、電勢、質(zhì)量集中。載荷和邊界條件與分析步有關(guān)，用戶必須指定載荷和邊界條件在哪些分析步中起作用。 Mesh(網(wǎng)格)功能模塊在Mesh功能模塊中主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：布置網(wǎng)格種子；設(shè)置單元形狀、單元類型、網(wǎng)格劃分技術(shù)和算法；劃分網(wǎng)格；檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量。在建模過程中，劃分網(wǎng)格是一個(gè)比較重要而復(fù)雜的步驟，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來綜合使用多種技巧。 Job(分析作業(yè))功能模塊在這個(gè)模塊中可以實(shí)現(xiàn)以下功能：創(chuàng)建和編輯分析作業(yè)；提交分析作業(yè)；生成INP文件；監(jiān)控分析作業(yè)的運(yùn)行狀態(tài)；中止分析作業(yè)的

46、運(yùn)行。2.5建立模型建模在整個(gè)分析過程中占用的時(shí)間比較長，因?yàn)橄鹊脤λo標(biāo)題進(jìn)行分析，然后建立幾何模型和定義一些屬性參數(shù)。建模的要點(diǎn)是：（1）通過簡單的力學(xué)分析，可以知道該問題屬于平面應(yīng)力問題；（2）基于結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，可以只取模型的1/4進(jìn)行分析。建立實(shí)體模型時(shí)有二維和三維之分，本課題應(yīng)用建立二維幾何模型來分析。2.5.1創(chuàng)建部件此步驟在Part功能模塊中進(jìn)行，因?yàn)樵谄渲锌梢赃M(jìn)行創(chuàng)建、編輯及管理模型的各個(gè)部分。具體操作是：打開主界面后，看到模塊列表Module：part，這表明當(dāng)前處在部件功能模塊，在這個(gè)模塊中可以定義模型各部分的幾何形體。點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Create part,彈出如下

47、圖2-2的Create part對話框，在name后輸入文件名字，將Modeling Space(模型所在空間)設(shè)為2D Planar(二維平面)，其余參數(shù)不變，點(diǎn)擊Continue。繪制完圖形后要保存，文件自動(dòng)生成file name.cae格式。2.5.2創(chuàng)建材料和截面屬性在窗口左上角的Module(模塊)列表中選擇Property(特性)功能模塊，點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)中的Create Material,彈出Edit Material對話框，在此對話框中可完成彈性及塑性變量、熱膨脹系數(shù)等一系列材料屬性的設(shè)置。此步為創(chuàng)建材料。 點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Create section鍵,在彈出Edit Sect

48、ion對話框后保持默認(rèn)參數(shù)不變，點(diǎn)擊continue。這里是定義截面屬性。 點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)Assign Section,再點(diǎn)擊視圖區(qū)的平板模型，當(dāng)選中的實(shí)體邊界以紅色高亮度顯示時(shí)，在視圖中點(diǎn)擊中鍵，彈出Edit Section Assignment對話框后再點(diǎn)擊OK。2.5.3定義裝配件在窗口左上角的Module列表中選擇Assembly(裝配)功能模塊，點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Instance Part鍵，彈出如圖2-3 Create Instance對話框，將Instance Type選為Independent(mesh on instance),點(diǎn)擊OK。本課題需要將三個(gè)模塊粘連在一起，所以還需

49、要點(diǎn)擊Tranlate Instance鍵，它可將各個(gè)模塊粘在一起。 圖2-2 Create part對話框 圖2-3 Create Instance對話框2.5.4定義接觸上面將各個(gè)模塊粘接在一起后，要定義各個(gè)接觸面。進(jìn)入Module列表中的選擇Interaction功能模塊，點(diǎn)擊Create Constraint,彈出如圖2-4對話框后，將Type選為tie,點(diǎn)擊OK。然后點(diǎn)擊左下角的surface，在視圖中選中其中一個(gè)接觸面，再點(diǎn)擊Done，接著再次點(diǎn)擊左下角的surface，再選中另一個(gè)接觸面，點(diǎn)擊Done。這樣面接觸就定義完了。2.5.5設(shè)置分析步ABAQUS/CAE會自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)初

50、始分析步（initial step），可以在其中施加邊界條件。用戶還可以根據(jù)自己的分析題目來設(shè)置后續(xù)分析步（analysis step）,用來施加載荷。具體操作方法是：在窗口左上角Module列表中選擇Step(分析步)功能模塊。點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Create Step鍵，在彈出的如圖2-5的對話框中參數(shù)保持默認(rèn)值（Procedure type:General;選中Static,General）,點(diǎn)擊continue,在彈出的Edit Step對話框中，保持各參數(shù)的默認(rèn)值，點(diǎn)擊 圖2-4 Create Constraint對話框 圖2-5 Create Step對話框2.5.6定義邊界條件在窗口

51、左上角的Module列表中選擇Load（載荷）功能模塊，定義邊界條件。（1）定義左邊上的對稱邊界條件點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Create Boundary Condition鍵，或在主菜單中選擇BCCreate。在彈出的對話框中輸入名字，將Step設(shè)為Initial,其余各項(xiàng)參數(shù)保持默認(rèn)值，點(diǎn)擊continue。此時(shí)窗口底部提示信息變?yōu)椤癝elect regions for the boundary condition”時(shí)，點(diǎn)擊模型左側(cè)邊界線，以紅色高亮度顯示被選中的線，在視圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵（如圖2-6所示）。然后彈出Edit Boundary Condition對話框，選中XSYMM（U1=UR2=

52、UR3=0）,然后點(diǎn)擊OK （如圖2-7所示）。 圖2-6 Create Boundary Condition對話框 圖2-7 Edit Boundary Condition對話框（2）定義模型底邊上的邊界條件與上一步步驟基本相同，也是點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Create Boundary Condition鍵，在彈出的對話框中輸入名字，將Step設(shè)為Initial,其余各項(xiàng)參數(shù)保持默認(rèn)值，點(diǎn)擊continue。當(dāng)窗口處下端有同樣的提示信息時(shí)，點(diǎn)擊模型的底部邊界線，當(dāng)以紅色高亮度顯示時(shí)，在視圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，選中YSYMM（U2=UR1=UR3=0）（如圖2-8）。然后點(diǎn)擊OK。視圖中模型會如圖2-9

53、所示。圖2-8 Create Boundary Condition對話框 圖2-9 定義完左邊和下邊邊界條件后的模型2.5.7劃分網(wǎng)格在窗口左上角的Module列表中選擇Mesh(網(wǎng)格)功能模塊，將環(huán)境欄中Object選項(xiàng)設(shè)為Part,即為所選的模塊進(jìn)行劃分網(wǎng)格。（1）設(shè)置邊上的種子 在左側(cè)工具區(qū)中鼠標(biāo)按住Seed Part鍵不放，選擇Seed Edge:by number,然后點(diǎn)擊模型，在窗口底端設(shè)置Number of elements along the edges(邊界線上的單元數(shù))，再次在視圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵。（2）設(shè)置網(wǎng)格控制參數(shù)點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Assign Mesh Controls

54、,在彈出的對話框（如圖2-10）中將Techniques設(shè)為Structured,其余參數(shù)保持默認(rèn)值，然后點(diǎn)擊OK。（3）設(shè)置單元類型點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Assign Elements Type鍵,彈出對話框（如圖2-11）中將Geometric Order(幾何階次)改為Quadratic(二次單元)，取消對Reduced integration(減縮積分)的選擇，其余保持默認(rèn)值，點(diǎn)擊OK。（4）劃分網(wǎng)格點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)中的Mesh Part Instance,窗口底部提示區(qū)顯示“OK to mesh the part instance?”,在視圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，或直接點(diǎn)擊Yes,這樣網(wǎng)格就劃好了

55、。 圖2-10 Assign Mesh Controls對話框 圖2-11 Elements Type對話框2.6提交分析作業(yè)在Module列表中選擇Job(分析作業(yè))功能模塊。（1）創(chuàng)建分析作業(yè)點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的Job Manager,彈出對話框，點(diǎn)擊Create（創(chuàng)建新的作業(yè)），輸入名字，點(diǎn)擊continue，彈出Edit Job對話框，各參數(shù)保持默認(rèn)值，點(diǎn)擊OK。（2）提交作業(yè)在Job Manager對話框中點(diǎn)擊Submit(提交分析)，當(dāng)分析完成后，點(diǎn)擊Results(分析結(jié)果)，自動(dòng)進(jìn)入Visualization模塊。2.7結(jié)構(gòu)后處理后處理是指檢查并分析求解的結(jié)果的相關(guān)操作。這可能是分

56、析中最重要的一環(huán)之一， 因?yàn)槿魏畏治龅淖罱K目的都是為了研究作用在模型上的的載荷是如何影響設(shè)計(jì)的。此步驟會顯示出模型未變形圖、變形圖、云紋圖及動(dòng)畫，也會顯示出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，具體做法是在主菜單中選擇ToolsQuery(查詢)，在彈出的對話框中選擇Probe values(查詢值)，然后點(diǎn)擊OK。3 有限元模擬熱殘余應(yīng)力由于基體金屬和增強(qiáng)相纖維之間的熱膨脹系數(shù)差異很大，當(dāng)復(fù)合材料從較高的制備溫度冷卻至室溫時(shí)，復(fù)合材料中將產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。熱殘余應(yīng)力是復(fù)合材料的一大本質(zhì)特征。目前在這方面的研究已取得較大進(jìn)展。金屬基復(fù)合材料中的熱殘余應(yīng)力對復(fù)合材料的力學(xué)性能（彈性模量、屈服強(qiáng)度、蠕變速率、疲勞壽命等）具有重大影響，因此一直受到材料工作者的重視和關(guān)注。3.1有限元模型在有限元計(jì)算細(xì)觀力學(xué)中，大都簡化應(yīng)用了比較理想的增強(qiáng)相周期性分布的材料模型。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維的排布方式與制備方法和工藝直接相關(guān)。本課題采用FCM法會得到纖維的六方排布（如圖3-1所示），選取1/4纖維模型（如圖3-1陰影區(qū)）作為代表性單元進(jìn)行有限元模擬（如圖3-2所示）。該模型的約束和載荷條件如下：下底邊界在Y方向的位移為零，左側(cè)邊界在X方向的位移為零，溫度載荷施加于整個(gè)有限元模型。圖3-1 復(fù)合材料中纖維的六方排布 圖3-2 對應(yīng)所取的1/4纖維模型3.2材料