复合材料微观组织结构的计算机设计

论文摘要

随着科学技术的日新月异,工程应用中对材料性能的要求愈来愈来高,对材料服役条件愈来愈苛刻,对工程构件服役寿命的估算也日益严格。一些传统的材料已经不能满足各种极端条件下的需求,这就要求我们拓展思路、改进方法设计适用于各种工程环境下作业的先进材料,并对设计出的新型先进材料的材料性能、失效行为进行有效地预测与评估。近年来,伴随计算科学的迅猛发展,计算机技术在各学科领域内得到广泛的应用。当前,国内外许多学者以计算机仿真与数值计算为手段将计算机技术成功运用于材料科学,以弥补传统材料设计与制备的不足。通过各种算法设计实现材料微观组织结构的数字化仿真与数值化模拟已经成为利用计算机技术研究材料科学的主要研究趋势,并逐步演化为一门崭新的学科——材料微结构计算学。“数字材料”技术是材料设计、性能预测与评估材料服役行为计算机化的关键手段,它被用来支撑跨尺度／跨时度的材料的微结构及其演化过程的可视化表达、表征、模拟与虚拟推演,从而实现材料微观组织结构状态的可设计、可推演、可预测。同时,伴随着材料微观组织结构状态的数字化过程,材料微结构的数值化处理技术的应用亦显得十分重要。数字化过程是对一种状态的翻译过程,而数值化过程就是对一种状态的处理过程。“数值材料”技术是“数字材料”技术成功走进材料科学领域最基本的前提,亦是“材料微结构计算学”的基础,其作用是依据材料微观组织结构之几何结构、组成物结构、或相结构做出有效地数值计算,“数值材料”技术为定量分析材料微结构奠定了基础。在实现对材料微结构进行数值计算的基础上,还可以实现材料微结构的虚拟失效分析,从而系统地建立一套推演多元多相异质体材料微结构虚拟失效过程、评估微结构虚拟失效状态的科学方法,开发一套较为实用的计算机软件,最终创建一整套“微结构组成物几何结构-微结构组成物材料性能-材料结构弱点特性-微裂纹扩展行为-材料损伤后性能-微结构失效状态”数据库平台。围绕上述问题,本文分别结合金属基复合材料、树脂基复合材料以及碳-碳编织复合材料在航空航天领域中的广泛应用,以“数字材料”技术为先导,用于表征具有各种复杂几何形貌的复合材料微观组织结构,以“数值材料”技术为核心,用于实现材料微结构在各种工况条件下的数值模拟与虚拟失效分析,从而实现不同复合材料微观组织结构设计与数值计算的研究工作。钛基复合材料（TMCs）以其高的比强度、比刚度和抗高温特性而成为超高音速宇航飞行器和下一代先进航空发动机的候选材料。随着航空工业的飞速发展,常规的钛及钛合金已不能满足要求,需要开发新的高性能钛合金以满足更高的要求,因此研究问题的焦点由常规钛合金转向金属间化合物、由固溶强化钛合金转向钛基复合材料,钛基复合材料主要分为颗粒增强和纤维增强2大类,当低密度、高模量、高强度的增强相加入到钛基体合金中,复合材料的比强度、比模量和蠕变强度等材料性能都有较大的提高,可以满足航空工业的需要。本文以开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign为基础,构造出钛基复合材料微结构的“代表性体积单元块”,并结合C++程序设计、Python脚本语言,对商业有限元软件ABAQUS的前后处理进行二次开发,实现钛基复合材料微结构的有限元网格划分与细观力学计算,并根据材料微结构力学计算的数值解,预测钛基复合微结构材料材料性能,识别“材料结构弱点”,评估微裂纹（群）的启裂、扩展,推演“微结构虚拟失效”行为。先进树脂基复合材料由于其比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优点,已经在航空、航天等领域得到广泛应用。先进树脂基复合材料基体的主要成分是聚合物,可分为热塑性树脂和热固性树脂两大类,环氧树脂是一种最常见的热固性树脂,具有形式多样、固化方便、黏附力强、收缩性低、良好的力学与电学性能、化学稳定性好等一系列优异的性能,环氧树脂最大的弱点就是韧性较差,固化后的树脂耐冲击性能差,容易裂开,因此作为航空高性能复合材料应用时,需要对其进行增韧改性。对于按照不同TP/TS （Thermoplastic/Thermoset）配比制备的环氧树脂基复合材料微结构具有不同相结构,本文结合北京航空材料研究院提供的实验数据,以原位共混工艺制备的增韧环氧树脂基复合材料为基础,采用计算机仿真的方法,表征实验观测到的原位共混增韧体系相结构,研究其组分配比与粒径分布、粒间距之间的关系,并通过有限元法的数值模拟,预测所制备的树脂基复合材料的力学性能。三维碳-碳编织复合材料以整体编织预成型件作为增强材料,不需缝合和机械加工,具有明显的性能可设计性与良好的综合性能指标,如较高的强度、刚度和较好的抗冲击性、耐烧蚀性等,所以受到工程界的普遍关注,成为航空、航天领域的重要材料。本文分别通过对六方、四方纤维束以及三向缎布穿刺等三维碳-碳编织复合材料微观组织结构进行设计,表征不同编织材料微结构的“重复性单元块”（RUC）,对构造的材料微结构进行具体的工况分析,预测其不同方向的弹性模量、拉伸强度以及热膨胀系数等材料性能。并在此基础上,利用刚度为零的材料单元表征编织复合材料微结构内的缺陷,研究不同类型缺陷对弹性模量的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 表格索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 材料微结构计算科学的研究进展
• 1.2.2 材料微结构模型设计的基本方法
• 1.2.2.1 材料微观组织结构的计算机仿真
• 1.2.2.2 材料微观组织结构的计算机重构
• 1.2.3 材料微结构数值计算的理论基础
• 1.2.3.1 基于有限元方法的数值模拟
• 1.2.3.2 材料微结构模型的细观力学计算
• 1.2.4 材料微结构的虚拟失效分析
• 1.2.4.1 微结构失效分析的核心——各向异性
• 1.2.4.2 微结构失效分析的关键——对应性
• 1.2.4.3 材料结构弱点概念
• 1.2.4.4 材料结构弱点特性理论
• 1.3 本课题的工程应用背景
• 1.3.1 钛合金与钛基复合材料在航空航天领域中的应用
• 1.3.2 先进树脂基复合材料在航空航天领域中的应用
• 1.3.3 碳-碳编织复合材料在航空航天领域中的应用
• 1.4 本文的研究目的与意义
• 1.5 本文的研究内容与方法
• 第2章 钛合金与钛基复合材料微结构设计与数值模拟
• 2.1 前言
• 2.2 相关试验
• 2.2.1 试验原理
• 2.2.2 试验设备与方法
• 2.2.3 选材与试验结果
• 2.3 异质体材料微观组织结构的设计
• 2.3.1 Voronoi图的定义与算法
• 2.3.2 多晶体基复合材料微结构的模块化设计与可视化表征
• 2.4 异质体材料微结构的数值计算
• 2.4.1 材料微结构的各向异性与本构关系
• 2.4.1.1 多晶体材料微结构各向异性与本构关系
• 2.4.1.2 多晶体基复合材料微结构各向异性与本构关系
• 2.4.2 异质体材料微结构的有限元模型
• 2.4.2.1 钛合金材料微结构的有限元模型
• 2.4.2.2 钛基复合材料微结构的有限元模型
• 2.4.3 数值计算结果与统计分布
• 2.4.4 异质体材料微结构的虚拟失效分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 先进树脂基复合材料微结构设计与数值预测
• 3.1 前言
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 试验材料及制备方法
• 3.2.2 试验结果及分析
• 3.3 树脂基复合材料微观组织结构的设计
• 3.3.1 原位共混增韧体系的微结构设计
• 3.3.2 "离位"增韧体系的微结构设计
• 3.4 树脂基复合材料微结构的有限元模型与材料性能预测
• 3.4.1 复相增韧体系的有限元模型
• 3.4.1.1 几何模型的创建
• 3.4.1.2 有限元模型的网格划分
• 3.4.2 原位共混增韧体系材料微结构模量预测
• 3.4.2.1 无包覆层相的材料性能预测
• 3.4.2.2 有包覆层相的材料性能预测
• 3.4.3 原位共混增韧体系材料微结构冲击韧性预测
• 3.4.4 原位共混增韧体系材料微结构断裂韧性预测
• 3.4.4.1 断裂韧性预测的方法与有限元模型
• 3.4.4.2 Ⅰ型、Ⅱ型贯穿裂纹断裂韧性的预测
• 3.4.5 "离位"增韧体系的数值预测与模型分析
• 3.4.5.1 "离位"增韧体系材料性能的预测
• 3.4.5.2 "离位"增韧体系的"宏-微"观耦合分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 碳-碳编织复合材料微结构设计与数值计算
• 4.1 前言
• 4.2 相关试验
• 4.3 碳-碳编织复合材料微结构设计
• 4.3.1 问题的描述
• 4.3.2 纤维束的结构设计
• 4.3.3 碳纤维编织复合材料的编织结构设计
• 4.4 理想微结构的有限元模型与材料性能预测
• 4.4.1 理想微结构的有限元模型
• 4.4.1.1 微结构几何模型的创建
• 4.4.1.2 微结构的有限元网格划分
• 4.4.2 材料属性与界面特性对材料性能的影响
• 4.4.2.1 材料属性与界面特性的定义
• 4.4.2.2 材料属性与界面特性的表征
• 4.4.3 理想微结构的弹性模量预测
• 4.4.4 理想微结构的拉伸强度预测
• 4.4.5 理想微结构的热膨胀系数预测
• 4.5 含有不同类型缺陷的有限元模型与材料性能预测
• 4.5.1 有限元模型中缺陷的表征
• 4.5.2 不同类型的缺陷对弹性模量的影响
• 4.5.2.1 纤维断丝对弹性模量的影响
• 4.5.2.2 界面脱开对弹性模量的影响
• 4.5.2.3 基体缩孔对弹性模量的影响
• 4.5.2.4 多种缺陷混合对弹性模量的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于ABAQUS软件的材料微结构的图形用户界面设计
• 5.1 前言
• 5.2 ABAQUS软件介绍
• 5.2.1 分析功能介绍
• 5.2.2 ABAQUS的主要模块
• 5.2.3 ABAQUS的分析流程
• 5.2.4 ABAQUS/CAE的介绍
• 5.2.4.1 ABAQUS/CAE的图形用户界面
• 5.2.4.2 ABAQUS/CAE的功能模块
• 5.3 基于ABAQUS的图形用户界面设计
• 5.3.1 面向对象的程序设计
• 5.3.2 Python脚本语言的介绍与特点
• 5.3.3 图形用户界面设计的必要性与可行性
• 5.3.4 图形用户界面设计的方法与具体内容
• 5.4 材料微结构图形用户界面设计的案例
• 5.5 本章小结
• 主要结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）