復(fù)合材料熱-力學(xué)性能的雙尺度漸近分析.pdf

1、隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)在熱力耦合條件下的性能表征和損毀機(jī)理的研究需求日趨迫切。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行多尺度建模與計(jì)算與物質(zhì)世界的基本性質(zhì)相符合，可以更加準(zhǔn)確地表征材料的性能以及預(yù)報(bào)材料在一定工況下的響應(yīng)規(guī)律；而且，它為依賴于微結(jié)構(gòu)的材料性能的優(yōu)化提供了有利的支持，我們可以基于多尺度計(jì)算，在材料制備前進(jìn)行加工工藝與微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
　　在眾多跨尺度計(jì)算方法中，雙尺度漸近分析方法是一種適用于周期性構(gòu)造復(fù)合材料性能表征與結(jié)構(gòu)分

2、析的通用、高效、精確的方法。其基本思想是：材料性能的計(jì)算和預(yù)測(cè)沿著從細(xì)觀到宏觀這一過(guò)程，采用雙尺度均勻化方法，由細(xì)觀尺度下的單胞計(jì)算出宏觀尺度下材料的均勻化性能參數(shù)；而結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)行為的計(jì)算與預(yù)測(cè)則是從宏觀平均場(chǎng)方程出發(fā)，從宏觀到細(xì)觀，利用雙尺度漸近展開技術(shù)，計(jì)算出細(xì)觀尺度下物理、力學(xué)量的局部漲落。本文主要基于雙尺度漸近分析方法對(duì)復(fù)合材料的熱/力學(xué)有效性能與響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了多尺度表征與計(jì)算。
　　首先，從熱力耦合問題的基本方程出發(fā)

3、，建立了復(fù)合材料溫度場(chǎng)和力學(xué)場(chǎng)的雙尺度漸近表達(dá)式；得到了復(fù)合材料宏觀均勻化熱傳導(dǎo)系數(shù)、剛度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的表達(dá)式；并且將該方法與有限元方法相結(jié)合，給出了數(shù)值實(shí)現(xiàn)雙尺度計(jì)算的計(jì)算步驟。
　　其次，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證了雙尺度分析方法預(yù)報(bào)復(fù)合材料宏觀性能的有效性，進(jìn)而研究了夾雜百分含量、夾雜形狀和夾雜之間的相互作用對(duì)復(fù)合材料宏觀性能的影響；并且通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證了雙尺度分析方法描述結(jié)構(gòu)場(chǎng)函數(shù)的有效性和高效性。
　　接下來(lái)，將雙尺度漸

4、近分析方法應(yīng)用于ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料體系，進(jìn)行了跨越微觀-細(xì)觀-宏觀的多尺度表征與模擬的嘗試，計(jì)算了ZrB2-SiC超高溫陶瓷的熱響應(yīng)規(guī)律，分析了SiC夾雜顆粒的尺寸和分布位置對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響；并且建立了碳纖維增韌超高溫陶瓷基復(fù)合材料的單胞模型，計(jì)算了碳纖維增韌超高溫陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在一定工況下的響應(yīng)，確定了結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力值及其所在位置。
　　然后，考慮到界面相的小尺寸對(duì)計(jì)算規(guī)模的影響，提出了二重雙尺度方法。將二重雙

5、尺度方法與有限元方法相結(jié)合，計(jì)算了宏觀軸向均勻拉伸載荷、橫向均勻拉伸載荷和橫向均勻剪切載荷條件下含界面相單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的三維應(yīng)力場(chǎng)分布，確定了各種載荷條件下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力值及其所在位置；討論了界面相性能對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，結(jié)果顯示纖維—界面相—基體力學(xué)性能的等差過(guò)渡有利于緩解軸向拉伸載荷下復(fù)合材料內(nèi)纖維在界面附近的應(yīng)力集中。
　　最后，針對(duì)單向復(fù)合材料直桿，按照組分材料的不同性質(zhì)引入不同的破壞準(zhǔn)則，提出預(yù)報(bào)單向纖維