金属基复合材料横向力学性能课件

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1、XXXdaxue毕业论文金属基复合材料横向力学性能（三）学生姓名：XXX学号：XXXXX系部：机械工程系专业：材料成型机控制工程指导老师：XXXX2011.06.151绪论一.复合材料的发展：复合材料的发展经历了从自然材料到人工材料、简单结构材料到复杂结构功能材料各个阶段，而逐渐进入更高、更精、更快的发展阶段，它与航天、能源、信息、生物等技术结合起来，带动高科技进入崭新的、高速的发展阶段。在各种复合材料的发展过程中，金属基复合材料（MMCs）的研究和生产比较晚，但由于具有低热胀系数、高耐热性、在动力结构方面的高比强度、高比模量、耐磨损和抗老化等特点，而备受人们青睐，尤

2、其在汽车、航空、航天领域得到广泛应用。目前对金属基复合材料的应用和研究处于领先地位的是美国和日本。例如美国在1987年发射的“哥伦比亚号”航天飞机的货舱桁架使用的就是硼纤维增强铝基复合材料。日本在这方面起步较晚，但发展速度较快，如日本的本田公司首先在气缸活塞上应用了AL2O3短纤维增强铝合金复合材料，并实现大规模化生产。我国的金属基复合材料研究起步的时间和日本差不多，近几年有了较大的发展，但我们国家的整体研究水平与实用化程度还不能与美国和日本相比，大多还处在实验研究阶段。实际应用甚少，主要障碍是制备工艺复杂、成本高。2二.金属基复合材料的应用1.航空、航天及军事领域；

3、2.汽车工业；3.技术产业；4.其他民用工业。3三.本课题主要研究及内容内容：本课题选用ANSYS程序，对复合材料横向性能进行有限元分析，在模拟过程中逐一考虑基体性能参数中的弹性模量、屈服强度、热胀系数的变化对横向性能的影响；目的：通过比较基体性能参数的变化对横向性能的影响，为复合材料的制备和力学性能的分析提供一定的理论指导。4第一章钛基复合材料之所以选择钛基复合材料作为研究对象，是因为：钢要达到高的比强度，制造工艺上十分困难；高度不锈钢在很多情况下仍会产生锈蚀；铝合金密度虽低，但比强度太低，而且温度越高，性能越差。SiC长纤维增强Ti基复合材料与传统钛合金相比有更高

4、的比强度、比刚度和使用温度及抗疲劳、抗蠕变性能好等优点，被认为是最具有潜力的航空材料之一，因而近年来受到国内外的广泛关注。5一.钛基复合材料的横向性能连续SiC纤维增强钛基复合材料（TMCs）沿纤维长度方向（纵向）具有高的比强度、比刚度和高的抗蠕变性能，然而不幸的是横向性能低于传统钛合金。例如，横向拉伸强度大约只有1/3的纵向拉伸强度。而零件在使用过程中不可避免的要受到横向载荷，过大的横向载荷会使复合材料性能未达到设计指标之前，已经提前造成材料的失效断裂。因此，如何提高TMCs的横向性能就是我们现在要研究的。6二.横向性能的测量方法传统测量复合材料的横向性能多采用实验

5、法，但是测试一直存在困难，而且测量结果的偏差比较大。所以我们现在选用有限元法计算横向性能。借助计算机的运算能力，形象直观的研究复合材料的横向性能。7第二章有限元法ANSYS有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。ANSYS软件的特点是：模拟能力强；后处理能力强；开放性好。ANSYS分析问题的典型步骤：①建立有限元模型；②加载和求解；③结果后处理和查看结果。8第三章复合材料横向性能数值模拟一.复合材料的ANSYS模拟1.材料性能参数模拟使用连续SiC纤维增强Ti-6Al-4V复合材料，下表3-1是

6、该材料在不同温度下的基体性能参数：表3-1Ti-6Al-4V的主要性能参数温度（℃）弹性模量（GPa）泊松比热涨系数（10‑6/℃）屈服强度（MPa）20114.00.238.8900200103.80.239.879240092.60.2310.351660076.40.2310.833280062.80.2311.514892.有限元模型本次模拟复合材料SiC/Ti-6Al-4V，Y假设其中SiC纤维体积分数为35%，纤维直径约为140μm，数值模拟CB在20℃下进行，应用均匀增加载荷对模型的右边界进行拉伸试验，直到复合材料失效。模拟时材料模型应满足：（1）Y=0

7、面上的节点在X方向上的位移为0；OAX（2）X=0面上的节点在Y方向上的位移为0；3-1复合材料有限元模型（3）体元始终保持1/4四边形。10在有限元模拟过程中，横向力载荷未施加之前我们先来看看复合材料的残余应力。基体性能参数未变化之前，从残余应力分布云图可以看出，最大径向压力为199.946MPa，环向最大拉应力为337.183MPa。图3-2SiC/Ti-Al-4V残余应力径向和环向分布云图11在载荷加载过程前期，复合材料处于线性阶段，随着横向力载荷的增加出现非线性拐点，拐点以后应力-应变曲线斜率出现下降，直到复合材料沿界面断裂。由该复合材料的应