颗粒增强钛基复合材料力学性能数值模拟研究.pdf

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1、颗粒增强钛基复合材料力学性能数值模拟研究王豆2015年1月中图分类号：O347UDC分类号：530颗粒增强钛基复合材料力学性能数值模拟研究作者姓名王豆学院名称机电学院指导教师宁建国教授答辩委员会主席秦太验教授申请学位工学硕士学科专业力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月StudyontheNumericalSimulationofParticleReinforcedTitaniumMatrixComposite’sMechanicalPropertiesCandidateName：WangDou

2、SchoolorDepartment:SchoolofMechatronicalEngineeringFacultyMentor:Prof.JianguoNingChair,ThesisCommittee：Prof.TaiyanQinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指

3、导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要本文以颗粒增强金属基复合材料为研究对象，利用有限元数值计算的研究方法，与细观力学和复合材料力学等相结合的的方法，对不同的金属基复合材料在拉伸载荷作用下的力学性能进行了数值模拟

4、计算，并与实验结果进行对比，验证了此有限元分析方法的可靠性。首先，在平面问题的弹塑性理论及其有限元离散的基础上，将问题转化为非线性问题的求解，并采用切线刚度法进行求解。利用FORTRAN语言编写二维弹塑性准静态有限元程序。利用不动点迭代法，将有限元计算技术与细观力学相结合，改进前文中的二维弹塑性有限元程序，使程序实现从宏观均质模型到细观单胞模型的迭代计算过程。利用自编写的有限元程序，计算复合材料在不同温度作用下的静态拉伸力学性能，并与试验结果进行了比较，验证了该有限元程序的可靠性。其次，针对TiC颗粒增强钛基复

5、合材料，基于均匀化理论，建立了反映该材料微观结构特征的有限元模型。对不同TiC颗粒形状、大小以及体积百分含量对钛基复合材料的等效力学性能的影响进行了数值模拟计算。并与实验结果进行了对比，验证了本文的数值计算方法可用于TiC颗粒增强钛基复合材料力学性能的分析与研究，建立起复合材料微观结构和宏观力学行为之间的关系。最后，对程序进行推广。以SiC颗粒增强镁基复合材料为研究对象，对不同体积分数的复合材料的力学性能进行了计算。计算结果与实验结果吻合良好，说明这种与细观力学和材料学相结合的有限元计算方法，可以再一定范围内用

6、于颗粒增强金属基复合材料的力学性能计算。关键词：有限元；颗粒增强；钛基复合材料；数值模拟I北京理工大学硕士学位论文AbstractInthispaper,themechanicalbehavioroftheTiC-particle-reinforcedtitaniummatrixcompositesunderdifferenttemperaturesandstrainrateswasnumericallysimulatedbyusingfiniteelementmethod.AlsotheJohnson-coo

7、kconstitutivemodelofTiC-particle-reinforcedtitaniummatrixcompositeswasmodified.Thecorrectnessofthenumericalmethodandthemodifiedmodelwereallverifiedbythecomparisonwiththeexperimentalresults.Firstly,Basedontheelasto-plastictheoryoftwo-dimensionalproblemanditsf

8、initeelementdiscretization,theproblemistransformedintosolvingnonlinearproblemthatsolvedbyusingthetangentstiffnessmethod.Thequasi-staticprogramofelasto-plasticfiniteelementwerecodedbyFORTRAN.More