材料成型及控制工程畢業(yè)設計-纖維體積分數(shù)及排布方式對復合材料殘余應力的影響

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　纖維體積分數(shù)及排布方式對復合材料殘余應力的影響</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在

2、指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 纖維體積分數(shù)及排布方式對復合材料殘余應力的影響

3、 </p><p>　　1．設計的主要任務及目標</p><p>　　通過建立二維平面應變有限元模型，比較不同纖維體積分數(shù)和排布方式下，連續(xù)SiC纖維增強復合材料周向及徑向殘余應力的變化，并分析殘余應力大小對復合材料力學性能的一些影響。</p><p>　　2．設計的基本

4、要求和內(nèi)容</p><p>　　1）設計的基本要求：</p><p>　　論文結(jié)構(gòu)完整，層次分明，語言順暢；避免錯別字和錯誤標點符號；論文格式符合太原工業(yè)學院學位論文格式的統(tǒng)一要求。</p><p><b>　　2）設計內(nèi)容：</b></p><p>　　模擬不同纖維體積分數(shù)下復合材料周向和徑向殘余應力的分布，分析殘余應

5、力隨纖維體積分數(shù)的變化規(guī)律；模擬不同纖維排布方式下復合材料周向和徑向殘余應力的分布，分析纖維排布方式對復合材料殘余應力的影響。</p><p><b>　　3．主要參考文獻</b></p><p>　　1）馬志軍.連續(xù)纖維增強鈦基復合材料熱殘余應力的研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2004,33(12):1248-1251</p><p>

6、　　2）Ma zhi jun. Effect of fiber distribution on residual thermal stress in titanium matrix composite [J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2004,14(2):330-334</p><p>　　3) 馬志軍. 鈦基復合材料熱殘余應力的數(shù)值模擬. 碩士學位論文,2002&

7、lt;/p><p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　纖維體積分數(shù)及纖維排布方式對復合材料殘余應力的影響</p><p>　　摘要：隨著時代的進步，科技越來越發(fā)達，工程應用上對材料的的要求也越來越高，金屬基復合材料以其優(yōu)良的力學性能得到了快速發(fā)展。由于金屬基復合材料的殘余應力對復合材料的性能有很大影響，因此全面了解復合材料殘余應

8、力的各種影響因素、殘余應力狀態(tài)及分布規(guī)律，對復合材料的研究具有重要的指導意義。</p><p>　　應用ANSYS軟件采用二維有限元法模擬SiC/Ti-6Al-4V 復合材料界面的殘余應力分布，分析纖維體積分數(shù)及纖維排列方式對纖維對復合材料殘余應力的影響。結(jié)果表明：隨纖維體積分數(shù)升高,復合材料的殘余應力逐漸呈現(xiàn)出各向異性；六方纖維排布模式是較四方纖維排布模式與四方對角排布模式更理想的纖維排布方式。</p&g

9、t;<p>　　關(guān)鍵詞：鈦基復合材料，有限元分析,纖維體積分數(shù)，纖維排布，殘余應力</p><p>　　The effect of fiber volume fraction and the fiber arrangement on the residual stress in Composites</p><p>　　Abstract: With the progress

10、of the times, more and more advanced science and technology, engineering application of material requirements are increasingly high, metal matrix composite materials has been rapid development with its excellent mechanic

11、al properties. Due to residual metal matrix composite stress has a great influence on the performance of composite materials, so a comprehensive understanding of all the effects of residual stress in the composite factor

12、, the residual stress state and </p><p>　　The residual ANSYS software application by using two dimensional finite element method to simulate the SiC/Ti-6Al-4V composite stress distribution, influence of fibr

13、e volume fraction and the fiber arrangement on stress fiber for composite residual. The results showed that: with the fiber volume fraction increases, The residual stress in the composite gradually show anisotropy;Six pa

14、rty fiber arrangement mode is the fiber arrangement is tetragonal fiber arrangement and square diagonal arrangement</p><p>　　Keywords: titanium matrix composites,finite element analysis,fiber volume fraction

15、, fiber array, residual stress </p><p><b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1研究目的與意義··········&

16、#183;····································

17、;········1</p><p>　　1.2金屬基復合材料·······················

18、;································2</p><p>　　1.2

19、.1金屬基復合材料的特點和分類··································&

20、#183;·······2</p><p>　　1.2.2金屬基復合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢·····················&

21、#183;············3</p><p>　　1.2.3金屬基復合材料中殘余應力相關(guān)知識················&#

22、183;···················4</p><p>　　1.3鈦基復合材料···········

23、83;····································&

24、#183;········9</p><p>　　1.3.1鈦基復合材料概述·····················

25、3;······························9</p><p>　　1.3.2鈦基復合材料的制備

26、····································

27、3;·············9</p><p>　　1.3.3鈦基復合材料殘余應力·················

28、;······························12</p><p>　　1.4本課題研究的主要內(nèi)容&

29、#183;····································

30、;···········12</p><p>　　2 ANSYS有限元法分析基礎(chǔ)</p><p>　　2.1有限單元法·············

31、3;····································&#

32、183;·······13</p><p>　　2.1.1有限單元法概念·······················

33、;······························13</p><p>　　2.1.2有限單元法一般步驟

34、····································

35、3;············13</p><p>　　2.2有限元模擬技術(shù)··················

36、83;···································14</

37、p><p>　　2.3.有限元軟件································&

38、#183;·························15</p><p>　　2.3.1 ANSYS軟件概述····&

39、#183;····································

40、;···········16</p><p>　　2.3.2 ANSYS軟件工作界面··················

41、83;·····························16</p><p>　　2.3.3 ANSYS軟件主要分析步

42、驟····································

43、83;·······17</p><p>　　3 復合材料殘余應力的有限元分析</p><p>　　3.1前言·················

44、3;····································&#

45、183;·········19</p><p>　　3.2材料性能·····················

46、3;····································&#

47、183;·19</p><p>　　3.3軟件模擬具體步驟·····························

48、·······················20</p><p>　　3.3.1前處理········&

49、#183;····································

50、;················20</p><p>　　3.3.2加載與求解··············

51、3;····································&#

52、183;·····20</p><p>　　3.3.3后處理·························

53、83;···································21</

54、p><p>　　3.4實驗結(jié)果與分析································

55、······················21</p><p>　　3.4.1纖維體積分數(shù)對復合材料殘余應力的影響······

56、3;························21</p><p>　　3.4.2纖維排布方式對復合材料殘余應力的影響····&#

57、183;··························29</p><p>　　結(jié)論與展望·····

58、····································

59、3;···················32</p><p>　　參考文獻············

60、83;····································&

61、#183;·············33</p><p>　　致 謝··················

62、····································

63、3;··········35</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1研究目的與意義</p><p>　　復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能

64、上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等[1]。</p><p>　　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，金屬基復合材料

65、以其優(yōu)良的性能引起各國政府、工業(yè)界的重視，被譽為先進復合材料，與傳統(tǒng)材料相比較，它具有重量輕、高比彈性模量、高比強度、耐疲勞、耐磨損、低能耗、低膨脹系數(shù)等特點[2]，因此金屬基復合材料在軍事、航天航空、汽車、機械、電子等各種領(lǐng)域得到了廣泛應用。在復合材料使用過程中，由于基體和纖維性能的差異，熱殘余應力的存在不可避免，它對復合材料的力學性能有著重要影響，有時甚至會導致基體開裂，因此受到人們的高度重視[3]。</p><

66、p>　　金屬基復合材料的內(nèi)部殘余應力對復合材料的力學性能具有重大影響, 為了預測金屬基復合材料內(nèi)部殘余應力的大小及影響，許多學者都致力于研究金屬基復合材料內(nèi)部殘余應力的理論計算模型[4]。廣義地說，殘余應力是一種普遍存在的現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余應力的原因也是多種多樣的。金屬基復合材料熱殘余應力產(chǎn)生必須具備的條件有：基體與增強體之間界面結(jié)合良好；溫度變化；增強體與基體之間的熱膨脹系數(shù)差異[5]。因此建立一些模型對于分析和理解熱殘余應力的分布

67、特征和變化趨勢是非常有用的[6]。</p><p>　　隨著計算機技術(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)的應用，不僅可以節(jié)省實驗時間、節(jié)約研究經(jīng)費，而且對研究殘余應力對復合材料性能的作用規(guī)律、促進金屬基復合材料的應用與發(fā)展都具有重大意義。因此全面了解復合材料殘余應力的各種影響因素、殘余應力狀態(tài)及分布規(guī)律，對復合材料的強度估算和壽命預測等具有重要的指導意義。</p><

68、;p>　　1.2金屬基復合材料</p><p>　　1.2.1金屬基復合材料的分類及特點</p><p>　　金屬基復合材料（MMC）是以金屬或合金為基體，并以纖維、晶須、顆粒等為增強體的復合材料。金屬基復合材料按增強體的類別來分類，如纖維增強(包括連續(xù)和短切)、晶須增強和顆粒增強等，按金屬或合金基體的不同，金屬基復合材料可分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基、高溫合金基、金屬間化合物基以及難

69、熔金屬基復合材料等。由于這類復合材料加工溫度高、工藝復雜、界面反應控制困難、成本相對高，應用的成熟程度遠不如樹脂基復合材料，應用范圍較小。當前最受航空界重視的MMC 是連續(xù)碳化硅纖維增強的鈦基復合材料，其次是碳化硅增強的鈦鋁金屬間化合物基復合材料。按所用的基體金屬的不同，使用溫度范圍為350～1200℃。金屬基復合材料的比強度和比模量、耐溫性和高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，同時還具有導熱、導電、耐磨、熱膨脹系數(shù)小、阻尼性好、不吸濕、

70、不老化和無污染等優(yōu)點。特別適合于制造超高音速運輸飛機和航空航天飛機的蒙皮以及航空發(fā)動機工作溫度為650℃～1000℃的部件[7-8]。</p><p>　　金屬基復合材料的特點在于有一個連續(xù)的金屬或者合金基體，其它組元相則是均勻地分布在金屬基體中。作為一種非均勻材料，金屬基復合材料與傳統(tǒng)的單一金屬材料在損傷斷裂機理、損傷破壞特征以及疲勞損傷的累積等諸多方面不盡相同，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:</p>

71、<p>　?。?）損傷斷裂機理與金屬材料不同：金屬材料的破壞機理是試件在開裂時常出現(xiàn)一條主裂紋，當裂紋擴展到某一臨界值時會突然失穩(wěn)破壞，所以這條裂紋控制著材料的最終破壞；而復合材料的破壞表現(xiàn)為構(gòu)件在高應力作用下發(fā)生嚴重損傷變形。</p><p>　　（2）裂紋的擴展是非共線的。裂紋在擴展過程中碰到纖維時，既可沿纖維，也可跨越纖維擴展;當遇到纖維界面時，傾向于損傷沿界面擴展，這種方式更利于使裂紋的擴展穩(wěn)定

72、下來。所以除少數(shù)層間裂紋在I型外力作用下會共線擴展外，多數(shù)裂紋擴展是復合型的。特別是對于層合結(jié)構(gòu)而言，裂紋擴展是I型和H型的復合，并且常見I、H型與M型的混合狀。</p><p>　　（3）金屬的疲勞壽命主要取決于裂紋起始壽命和擴展速率，而復合材料在交變載荷下有多種損傷形式，可能以一個為主，也可能是多個形式共同控制的疲勞過程。因此，復合材料的疲勞沒有金屬材料那樣具有明顯的規(guī)律性[9]。</p>&l

73、t;p>　　1.2.1 金屬基復合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　在航天航空工業(yè)及民用工業(yè)的推動下,金屬基復合材料的制備和成形制造工藝有了很大的進展。其研究熱點主要圍繞在輕金屬和重金屬合金基體材料方面。</p><p>　　(1)金屬基復合材料在汽車領(lǐng)域的研究 </p><p>　　金屬基復合材料用于汽車工業(yè)主要是顆粒增強和短纖維增強的鋁基、鎂基

74、、鈦合金等有色合金基復合材料。由于鋁合金、鎂合金等是傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料,隨著汽車輕量化進程的不斷推進和科學技術(shù)的日益進步,在汽車工業(yè)中采用鋁合金、鎂合金,要求具有良好的耐磨性、抗腐蝕性、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性,并且要求質(zhì)量更輕,強度、剛度更高，這就為鋁基復合材料的發(fā)展提供了廣闊的應用前景?；钊前l(fā)動機的主要零件之一。它在高溫高壓下工作,與活塞環(huán)、汽缸壁不斷摩擦,工作環(huán)境惡劣。因此選擇合適的活塞材料至關(guān)重要。日本豐田公司于1983年首次成功地用A

75、l2O3/Al復合材料制備了發(fā)動機活塞,與原來鑄鐵發(fā)動機活塞相比,重量減輕了5%～10%,導熱性提高了四倍左右[10]。連桿是汽車發(fā)動機中繼活塞之后第二個成功地應用金屬基復合材料的例子。1984年,Fogar等人用氧化鋁長纖維增強鋁合金制造了第一根連桿[10]。鈦的耐磨性、剛性、熱穩(wěn)定性較差限制了其廣泛應用,通過顆粒增強得到的鈦基復合材料(PMMC)可以克服鈦的上述缺點。</p><p>　　(2)金屬基復合材料

76、在航空航天領(lǐng)域的研究 </p><p>　　早在20世紀80年代,低體積分數(shù)(15%～20%)的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料作為非主承載結(jié)構(gòu)件成功地應用于飛機,F-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機上采用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料作為液壓制動器缸體,與替代材料鋁青銅相比,不僅重量減輕、熱膨脹系數(shù)降低,而且疲勞極限還提高一倍以上。更為引人注目的是,在20世紀90年代末,碳化硅顆粒增強鋁基復合材料在大型客機上獲得正式應用。另外,目前

77、采用無壓浸滲法制備的碳化硅顆粒/鋁電子封裝復合材料應用在包括:F-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機、歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機、EA-6B“徘徊者”預警機、ALE-50型誘餌吊艙以及摩托羅拉銥星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探測器等著名的航天器上[11-12]。</p><p>　　(3)金屬基復合材料在民用行業(yè)中的應用與研究 </p><p>　　金屬基復合材料在民用行業(yè)中的應用與研究相對緩慢。要使其推廣

78、使用,還必須解決以下幾個問題[12]:</p><p>　　①金屬基復合材料普遍存在制備成本問題。在制備過程中,制備工藝復雜,很難應用于生產(chǎn)。若要使復合材料真正進入到產(chǎn)業(yè)化,還需要進行更深一步的研究,簡化制造工藝,降低制造成本,增強復合材料的市場競爭力。</p><p>　　②復合材料性能的優(yōu)劣性依賴于增強體與基體的結(jié)合及增強體的分布狀況,而決定結(jié)合及分布狀況的主要因素之一是潤濕性。由于大

79、多金屬基體與增強體潤濕差甚至不潤濕,這就給復合材料的制備帶來困難。</p><p>　?、墼谳^高溫度下制備復合材料,基體與增強體之間不可避免發(fā)生程度不同的界面反應及元素偏聚等。</p><p>　　(4) 金屬基復合材料的發(fā)展趨勢 </p><p>　　①簡化制備工藝,降低制備成本,始終是研究熱點之一。 </p><p>　?、谀壳敖饘倩鶑秃?/p>

80、材料的強化機制研究還不是很成熟,學術(shù)觀點各有所見,很難達成共識。應加強對強化機制的研究,探討復合材料的凝固過程,研究增強相與基體的微觀作用機理,進一步推動金屬基復合材料的發(fā)展。 </p><p>　?、蹪櫇裥詥栴}一直困擾研究金屬基復合材料的學者,給實際制備復合材料帶來很多的困難。目前,有些學者研究了鋁基復合材料的潤濕性,并取得了一定的進展[13]。</p><p>　?、苎芯康闹攸c側(cè)重于增

81、強體與基體的結(jié)合界面及增強體在基體中的分布,卻忽略了基體自身的性能。基體本身性能對復合材料的影響也至關(guān)重要,性能優(yōu)越的復合材料同樣要求有性能優(yōu)越的基體,因此應加大對基體和增強體性能同步提高的研究。</p><p>　　1.2.3金屬基復合材料中殘余應力相關(guān)知識</p><p>　　(1)金屬基復合材料中殘余應力的產(chǎn)生原因</p><p>　　金屬基復合材料需在基體熔

82、點附近的高溫下制備，一方面,高溫下基體與增強體之間會發(fā)上化學反應形成一些新相，導致體積改變，形成殘余應力；另一方面金屬基復合材料從加工溫度冷卻到室溫時，內(nèi)外冷卻速度的差異以及基體與增強體之間熱膨脹系數(shù)的不匹配也會在復合材料中引起殘余應力。</p><p>　　(2)金屬基復合材料殘余應力對組織性能的影響</p><p>　　若制備工藝控制不當或基體的塑性較差，在復合材料的界面處，常會發(fā)現(xiàn)一

83、些垂直于界面的裂紋，特別是纖維距離較近時，顯然，界面處的周向殘余應力是其產(chǎn)生的直接原因之一[14]。另外，界面附近的環(huán)向應力有突變， 應力梯度非常大，S.G.Warrier 等人[15]研究表明，在橫向載荷作用下，應力突變點將會導致裂紋萌生和界面脫粘。徑向熱殘余應力的大小直接影響復合材料中纖維和基體間界面剪切強度的大小，由于熱殘余應力的大小隨溫度變化明顯，所以界面剪切強度也會受溫度變化的影響，進而影響復合材料的高溫力學性能。</p

84、><p>　　熱殘余應力對復合材料力學性能的影響非常復雜，并且一般不會直接作用，而是通過其它條件影響復合材料。例如在循環(huán)疲勞載荷作用下，由于熱殘余應力的存在，使疲勞裂紋所承受的實際載荷比大于施加的載荷比，并且經(jīng)過一定的循環(huán)載荷后，熱殘余應力發(fā)生松弛，界面剪切摩擦力下降，進一步加速了疲勞裂紋的擴展速度，降低了復合材料疲勞壽命[14]。熱殘余應力對復合材料的屈服強度、壓縮強度以及橫向拉伸性能也有不同程度的影響[16]。另

85、外，復合材料基體中存在平均殘余拉應力，導致拉伸屈服強度降低，壓縮屈服強度升高。復合材料中殘余應力的存在是產(chǎn)生拉壓強度差效應和包辛格效應的主要原因[17]。</p><p>　?。?）金屬基復合材料中殘余應力的測量分析方法</p><p>　　熱殘余應力是一 種自平衡的非均勻應力場，尤其在界面附近，一般處于多方向的復雜應力狀態(tài)，所以，要精確測定復合材料中的熱殘余應力的大小是一件非常困難的事情

86、。在現(xiàn)有的研究方法中，總體分為實驗法和理論計算法，實驗方法主要有以下幾種。</p><p>　?、?X 射線衍射和中子衍射方法[18]</p><p>　　由于 X 射線的穿透能力較低，利用X 射線衍射的方法只能測量復合材料表面的熱殘余應力的大??；比較而言，中子衍射的穿透能力要強得多，約為X 射線的1 000 倍，因此可以測量復合材料內(nèi)部的熱殘余應力。但不管是X 射線還是中子衍射，都有一定

87、的粒子束斑直徑，即使微小X 射線束，其直徑也有30 μm 左右，遠大于鈦基復合材料界面層厚度的尺寸。所以，使用X 射線和中子衍射的方法只能測得某一微區(qū)的平均應力，尤其在界面附近，更無法準確反映熱殘余應力的非均勻特性。</p><p><b>　?、?剝層法</b></p><p>　　將復合材料做成片狀試樣，逐層剝離基體，然后用X 射線衍射測量基體的熱殘余應力分布和大

88、小，為防止試樣剝層后發(fā)生彎曲，可在試樣兩面對稱剝層。但是，剝層后由于應力松弛等原因，改變了熱殘余應力的分布和大小，從而使人對結(jié)果提出質(zhì)疑。</p><p><b>　　③ 基片彎曲法</b></p><p>　　為了避免一般機械加工手段介入其它應力影響，利用電拋光或者化學腐蝕的方法剝掉試樣表面層，在熱殘余應力的作用下，試樣發(fā)生彎曲，測量曲率半徑，計算殘余應力的大小，逐

89、層剝離便可計算熱殘余應力在z 方向上的變化。一般情況下，基片彎曲法需要很高的加工精度，而且受纖維均勻排布程度的影響很大。</p><p>　　(a) 腐蝕機體 (b) a處圓圈放大圖</p><p>　?、芑w腐蝕法[18]</p><p>　　原理示意圖如圖1.1a 所示，先選擇腐蝕基體，然后測量松弛纖維相對于仍固定在基體內(nèi)的纖維的長度

90、Δ（如圖1.1b所示），計算纖維的軸向應變，進而推出纖維和基體的平均熱殘余應力。這種方法簡單易行，但對測量精度要求很高，結(jié)果也較為保守，并受纖維排布情況的影響。</p><p>　　上述的各實驗方法所測的復合材料熱殘余應力，都是某一尺度范圍內(nèi)的平均熱殘余應力，其最致命的弱點是無法反映復合材料界面及其附近復雜的應力變化情況。而理論計算熱殘余應力可以從根本上克服這一弊端[18]。</p><p&g

91、t;　　目前，理論計算復合材料熱殘余應力的方法大致有兩種。一種是解析法，利用簡化的同軸圓柱模型[19-20]，采用力學的基本公式，再加上邊界條件和變形協(xié)調(diào)方程進行近似的理論推導，由于計算過程中復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)驗公式。另一種方法是利用有限單元法，借助計算機的快速運算能力，形象直觀地研究材料中的熱殘余應力的分布。在有限元計算細觀力學中，大多數(shù)數(shù)值計算應用了較理想的增強相周期性分布的材料模型。代表性

92、體元的材料模型一般滿足[21]：相對于細觀分析的合適尺度，即基體中的增強相尺寸和增強相間的平均間距要大于細觀結(jié)構(gòu)的特征尺寸（如晶界尺寸和位錯運動距離）；反映細觀結(jié)構(gòu)的幾何形狀、分布和界面條件。</p><p>　　比較兩種理論分析方法，解析法對增強體的排布與幾何形狀均進行了簡化，且不適于應力場的精確求解，在復合材料界面殘余應力計算中應用較少。有限元法將有限元技術(shù)與材料力學相結(jié)合，方便快捷，能模擬出材料任意微區(qū)的殘

93、余應力大小及分布狀態(tài)，特別是一些實驗測定難以實現(xiàn)的殘余應力分析，且對增強體的幾何形狀無特殊要求。雖然有限元模型對增強體在基體中的分布進行了較大的簡化，并假設界面結(jié)合良好，所得結(jié)果與實際情況仍存在誤差，但綜上原因，有限元法仍是復合材料熱殘余應力分析中使用頻率很高的方法[22]。</p><p>　　(4）金屬基復合材料中殘余應力的影響因素</p><p><b>　　①纖維涂層的影

94、響</b></p><p>　　高溫下制備復合材料時，基體與增強體之間極易發(fā)生有害的界面反應，而合適的界面涂層不但能有效阻擋這類反應，而且還可以對復合材料界面殘余應力的分布起到一定的調(diào)節(jié)作用。Bin huang等[23]研究了C、C/TiB2涂層對SiC/Ti-6Al-4V復合材料界面殘余應力的影響，認為涂層對復合材料界面徑向及軸向殘余應力的影響不大，但是周向應力變化顯著。與沒有涂層相比，C涂層使臨近

95、基體一側(cè)界面軸向拉伸應力明顯增大。這主要是因為在無涂層、C涂層和TiB2涂層的情況下界面相材料分別為TiC、C、及TiC和C及TiB2。表2.1列出了SiC、Ti-6Al-4V等材料的主要性能參數(shù)[29]。</p><p>　　從表1.1可以看出，3種界面相材料TiC、C及TiB的熱膨脹系數(shù)均較大，但他們之間差值較小，而楊氏模量相差很大。由此可見，當熱膨脹系數(shù)一定時，復合材料界面周向應力在很大程度上依賴于界面相材

96、料的楊氏模量。楊氏模量越高，相應的周向應力越大。王玉慶等[24]對涂層在復合材料中的力學行為進行了理論分析，指出界面殘余應力是熱膨脹系數(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)低時才能減小界面殘余應力，而低模量圖層不論熱膨脹系數(shù)大小均能減小界面殘余應力。因此，選擇涂層材料時需從材料的化學性能及物理性能兩方面入手，盡量使它既能阻擋界面不利產(chǎn)物形成又能降低殘余應力。從界面殘余應力角度來看，理想的涂層材料應具有低的楊氏模量及低的熱膨脹

97、系數(shù)。其存在的問題是，與實際復雜的界面結(jié)構(gòu)相比，上述對界面相材料成分進行了一定簡化。迄今為止，雖有不少學者已對界面層成分進行過分析，但要在界面區(qū)幾微米的范圍確定2～3層甚至更多層材料的性能，難度較大，故上述結(jié)果僅反映殘余應力的相對大小。</p><p>　　表1.1 各組分的主要性能參數(shù)</p><p>　?、谥苽涔に嚄l件的影響</p><p>　　材料性能一定時，

98、制備溫度成為影響界面殘余應力的主要因素，這一點通過殘余應力的來由和基本計算公式就能體現(xiàn)出來?？梢姡瑴囟茸兓吭酱?，界面殘余應力越大。Xian Luo等[25]研究了SiC/Cu復合材料制備溫度對殘余應力的影響，認為纖維四方排列，體積分數(shù)20%的復合材料制備溫度有650℃上升到750℃時，相應的界面最大軸向應力（絕對值）與最大周向應力分別增加了3MPa和5MPa。為此，在滿足性能要求的前提下應盡量減低復合材料制備溫度，以減小殘余應力。然而

99、，復合材料從制備溫度開始冷卻的前期階段機體產(chǎn)生高溫蠕變是殘余應力得以釋放，因此，存在一個無應力的起始溫度，在此溫度以下才會產(chǎn)生殘余應力，但目前的大多數(shù)研究只對這一溫度進行簡單假定。</p><p>　　③基體材料性能的影響</p><p>　　增強體材料與界面層相確定以后，基體材料熱膨脹系數(shù)和楊氏模量越大，界面殘余應力就越大。增強體熱膨脹系數(shù)小于基體熱膨脹系數(shù)，所以基體材料熱膨脹系數(shù)越大，

100、兩者之間的差值就越大，這種由熱膨脹系數(shù)不匹配引起的殘余應力也就越大；基體楊氏模量也高，柔性越差，越不利于界面殘余應力的釋放。M.Y.Quek采用單根纖維同心援助模型計算出其他條件不變時基體楊氏模量有3GPa，界面剪切殘余應力峰值由60kPa變?yōu)?10kPa，增加近一倍，同時自由端面處界面徑向參與拉伸應力由30kPa變?yōu)?0kPa。</p><p>　　除以上因素外，纖維體積分數(shù)，纖維排布方式（第三章將作簡要研究）

101、、纖維長徑比、溫度等都對殘余應力有明顯影響。纖維體積分數(shù)大于10%時，六方排布的應力峰值小于四方排布對應的峰值，而且纖維含量越高差別越大。纖維長徑比增加，界面剪切殘余應力峰值改變較小，但峰值為止向纖維兩端移動。界面反應層越厚，殘余應力越小。</p><p><b>　　1.3鈦基復合材料</b></p><p>　　1.3.1鈦基復合材料概述</p>&

102、lt;p>　　鈦基復合材料是以一種重要的金屬基復合材料。其具有強度高、重量輕、彈性模量大等優(yōu)越性能，Ti-6Al-4V合金是一種應用最廣的鈦合金，它在鈦產(chǎn)品中占一半以上。在鈦合金復合材料中該合金也是研究、使用最多的一種鈦合金基體。Ti-6Al-4V合金具有良好的加工性能，當Ti-6Al-4V合金與碳化硅等纖維制備成鈦基復合材料時，可以進一步提高強度，尤其是高溫強度，而材料的密度、熱膨脹系數(shù)并不提高。所以，在航空、航天工業(yè)中，鈦合金

103、基復合材料成為比鈦合金更適宜的結(jié)構(gòu)材料[26]。</p><p>　　1.3.2鈦基復合材料的制備</p><p>　　鈦是一個的化學性質(zhì)非?；顫姷脑?，極易與增強體SiC 纖維產(chǎn)生化學反應，導致Ti MMC 的力學性能惡化。為了降低制備溫度，減小化學反應，制備Ti MMC 及其構(gòu)件只能用固態(tài)法，而通常制備金屬基復合材料的液態(tài)法不能使用。目前國際上制備Ti MMC 及其構(gòu)件的主要方法有：箔

104、—纖維（foil-fiber）法、漿料帶鑄造（slurry tape casting）法、等離子噴涂（plasma splay）法及纖維涂層（matrix coated fiber）法等。</p><p><b>　?。?）箔—纖維法</b></p><p>　　如圖1.2 所示，纖維逐根用金屬絲或帶交叉編織，或用有機粘接劑將纖維固定在鈦合金箔上。將鈦合金箔與編織好的

105、纖維逐層疊放，經(jīng)熱壓或熱等靜壓成形。若用有機粘接劑固定纖維，在成形前需用真空除氣法去除有機粘接劑。箔—纖維法是傳統(tǒng)的制備方法，其優(yōu)點為：微觀組織可控，化學成分準確，雜質(zhì)含量低。缺點是：鈦合金箔價格高，可用的合金有限制，纖維分布不均，易產(chǎn)生開裂，復雜形狀零部件制備困難且質(zhì)量難以保證。</p><p>　　圖1.2 箔—纖維法制備鈦基復合材料示意圖</p><p><b>　　（2）

106、漿料帶鑄造法</b></p><p>　　將合金粉末和有機粘接劑混合并涂在平行排列的纖維上作為前驅(qū)體（pre-cursor），多層疊放并經(jīng)熱壓或熱等靜壓成型。在成型前用真空除氣法去除有機粘接劑，見圖1.3。所謂的“粉末布（powder cloth）法”與此基本相同。漿料帶鑄造法簡單易行，但其缺點也是明顯的，如鈦合金粉末中較高的氧含量，對鈦合金的性能極為不利；有機粘接劑易造成污染；有機粘接劑去除后纖維的

107、移動導致復合材料纖維分布不均等。</p><p>　　圖1.3 漿料帶鑄造法制備鈦基復合材料示意圖</p><p><b>　?。?）等離子噴涂法</b></p><p>　　如圖1.4 所示，在噴槍的陰陽極之間施加一定的直流電壓，在兩級間通入惰性氣體，氣體被電離并噴出槍口形成等離子炬。金屬鈦合金粉末送入噴槍，在等離子炬中熔化并以高速噴射到預先

108、纏繞一層纖維的旋轉(zhuǎn)園柱上，金屬液滴沉積并繞過纖維即在圓柱表面形成單層復合材料，冷卻后剝離圓柱即得到單層復合材料薄帶，隨后將若干薄帶切割、堆積、熱壓或熱等靜壓即可形成Ti MMC部件。等離子噴涂法可以較好的固定纖維，因而在所得到的復合材料中纖維的分布較為均勻。但等離子噴涂將產(chǎn)生非均勻的微觀組織；熔融的鈦合金液滴會損傷纖維；控制合金成分較難；所形成的單層薄帶較脆，難于處理；由于等離子噴涂的物理過程極為復雜，對等離子體與其中噴涂的粉末之間能量

109、與動量的傳遞尚無充分了解，因而找出最佳的工藝參數(shù)較難。</p><p>　　圖1.4 等離子噴涂法制備鈦基復合材料示意圖</p><p><b>　　（4）纖維涂層法</b></p><p>　　用物理氣相沉積（PVD）法將鈦合金預涂在纖維上，然后將帶涂層的纖維堆放在一起，經(jīng)熱壓或熱等靜壓成形，見圖1.5。纖維涂層法是制備TMC 的新方法。對

110、纖維進行涂層的PVD 方法可分為兩大類：電子束物理氣相沉積（EBPVD）和濺射技術(shù)。英國國防研究局（DRA）結(jié)構(gòu)材料中心的Ward-Close 認為該法有以下優(yōu)點：</p><p>　?、倮w維分布均勻，而且是理想的六方密排堆垛，成形時收縮小，部件外部尺寸精確，因而可近凈形成形；而且內(nèi)部殘余應力小，可消除殘余應力導致的基體/纖維開裂。</p><p>　?、谝子谥苽鋸碗s形狀的部件，如環(huán)、盤、

111、管、軸、葉片等。用其它方法不僅困難而且昂貴，還可能有很多纖維端頭留在部件內(nèi)，成為化學侵蝕和應力集中源。</p><p>　?、鄢尚螘r對溫度和壓力的要求沒有其它方法那末嚴格。較低溫度下成形可減少纖維/基體界面反應。</p><p>　?、芾w維/基體界面無雜質(zhì)等干擾。</p><p>　?、?纖維體積分數(shù)易于控制，可以很高（15-80%）。</p><

112、;p>　?、拊谔幚砝w維和復合材料成形中，有涂層的纖維不易損壞。</p><p>　　圖1.5 纖維涂層法制備鈦基復合材料示意圖</p><p>　　1.3.3 鈦基復合材料的殘余應力</p><p>　　在鈦基復合材料的制備和使用過程中，熱殘余應力的產(chǎn)生和存在是不可避免的，并且成為金屬基復合材料的一大本質(zhì)特征。由于基體和增強相之間的熱膨脹系數(shù)差異很大，彈性模量

113、也有所差異，所以，當復合材料從制備、熱處理溫度冷卻至室溫時，復合材料中將產(chǎn)生殘余應力。殘余應力對鈦基復合材料，尤其是對Ti-Al 金屬間化合物基復合材料的力學性能有著重要的影響，有時甚至會導致基體開裂，因此受到人們的高度重視。</p><p>　　1.4 本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　?。?）用ANSYS軟件模擬纖維體積分數(shù)分別為25%、35%、45%時，連續(xù)SiC纖維增強復合材

114、料周向及徑向殘余應力的變化。</p><p>　?。?）用ANSYS軟件模擬纖維排布方式分別為四方排列、四方對角排列、六方排列時，連續(xù)SiC纖維增強復合材料周向及徑向殘余應力的變化。</p><p>　?。?）比較不同纖維體積分數(shù)和排布方式下，連續(xù)SiC纖維增強復合材料周向及徑向殘余應力的變化，并分析殘余應力大小對復合材料力學性能的一些影響，得出在何種纖維體積分數(shù)及纖維排布方式下，復合材料

115、具有更好的力學性能。</p><p>　　2 ANSYS有限單元分析基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1有限單元法</b></p><p>　　2.1.1有限單元法基本概念</p><p>　　有限單元法是隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，是一種有效解決數(shù)學問題的解題方法，主要應用于求解熱傳

116、導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式 ，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式，便構(gòu)成不同的有限元方法。</p><p>　　2.1.2有限元單元法的一般過程</p><

117、p>　?。?）結(jié)構(gòu)的離散化。有限元法的第一步，是把結(jié)構(gòu)或連續(xù)體分割成許多單元，因而在著手分析時，必須用適當?shù)膯卧呀Y(jié)構(gòu)模型化，并確定單元的數(shù)量、形狀類型、大小和布置。</p><p>　　（2）從區(qū)域或結(jié)構(gòu)中取出其中一個單元來研究。選擇適當?shù)牟钪的Ｊ交蛭灰颇Ｊ浇频孛枋鰡卧奈灰茍?。由于在任意給定的載荷作用下，復雜結(jié)構(gòu)的位移解不可能預先準確地知道，因此，通常把差值模式取為多項式形式。從計算的觀點看多項式簡單

118、，而且滿足一定的收斂要求。單元位移函數(shù)用多項式來近似后，問題就轉(zhuǎn)化為如何求出節(jié)點位移。節(jié)點位移確定后，位移場也就確定了。</p><p>　?。?）單元剛度矩陣和載荷向量的推導。根據(jù)假設的位移模式，利用平衡條件或適當?shù)淖兎衷砜梢酝茖С鰡卧猠的剛度矩陣[K] (θ)和載荷向量p(θ)。</p><p>　　（4）集合單元方程得到總的平衡方程組。連續(xù)體或結(jié)構(gòu)是由許多個有限單元組合成的，因此，

119、對整個連續(xù)體或結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，就需進行組合。把各個單元剛度矩陣和載荷向量按適當方式進行組合，從而建立如下形式的方程組： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式（1-1）是結(jié)點上內(nèi)力與外力的平衡方程，稱為總體剛度平衡方程或簡稱總剛度方程。其中，[K]稱為總剛度矩陣；{δ}是整體結(jié)構(gòu)的結(jié)點位移；{P}是作用在整個結(jié)構(gòu)的有限元結(jié)點上的

120、外力。</p><p>　?。?）求解未知結(jié)點位移。按問題的邊界條件修改總的平衡方程，是結(jié)構(gòu)不可剛體移動，對于線性問題可以很容易地從代數(shù)方程組中解出結(jié)點位移{δ}。</p><p>　?。?）單元應變和應力的計算?？筛鶕?jù)已知的結(jié)點位移利用固體力學或結(jié)構(gòu)力學的有關(guān)方程算出單元的應變和應力[27]。</p><p>　　2.2 有限元模擬技術(shù)</p>&l

121、t;p>　　在科學技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于許多力學問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們應遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相應的定解條件。但能用解析方法求出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕喈斠?guī)則的問題。對于大多數(shù)問題，由于方程的某些特征的非線性性質(zhì)，或由于求解區(qū)域的幾何形狀比較復雜，則不能得到解析的答案，這類問題的解決途徑通常有兩種途徑。一是引入簡化假設，將方程和幾何便捷簡化為能夠處理的情況，從而得到問題在簡化狀態(tài)下的

122、解答。但是這種方法只是在有限的情況下是可行的，因為過多的簡化導致誤差很大甚至錯誤的解答。因此人們多年來尋找和發(fā)展了另一種途徑和方法——數(shù)值解法，特別是近三十年來，隨著計算機的飛速發(fā)展和廣泛應用，數(shù)值分析法已經(jīng)成為求解科學技術(shù)問題的主要工具。而有限元法的出現(xiàn)，是數(shù)值分析方法研究領(lǐng)域內(nèi)的重大突破性進展[17]。</p><p>　　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、且按一定方式相互連接在一起的單

123、元組合體[17]。由于單元能按不同的連接方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模擬幾乎所有的幾何形狀復雜的的求解區(qū)域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個重要特點是：利用在每一個單元內(nèi)假設的近似函數(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)或其導數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其差值函數(shù)來表達。這樣一來，在一個問題的有限元分析中，未知函數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量，從而使一個連續(xù)的無限自由度

124、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，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解域上的近似解。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度的增加及函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解[27]。</p><p>　　復合材料的各向異性所產(chǎn)生的各種復雜的力學現(xiàn)象，使得有限元計算技術(shù)對于求解復合材料及其結(jié)構(gòu)的

125、力學問題得到了相當廣泛的應用。在這個領(lǐng)域可分為兩個分支：一是有限元法應用于復合材料結(jié)構(gòu)（如板、殼等）力學問題，主要是用于真實工程環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)問題的總結(jié)；二是有限元技術(shù)應用于復合材料細觀結(jié)構(gòu)力學的模擬分析，側(cè)重于材料細觀結(jié)構(gòu)與力學性能的關(guān)系分析。有限元法與細觀力學和材料科學相結(jié)合產(chǎn)生了有限元計算細觀力學。作為細觀力學的最主要的組成部分，有限元計算細觀力學的發(fā)展一直是近十年來細觀計算力學發(fā)展的主要特征和推動力。它主要研究組份材料間力的相

126、互作用和定量描述細觀結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，由于復合材料綜合了不同單相材料的長處，對其材料力學行為的有意義的研究必須借助于細觀力學進行。有限元細觀計算力學應用于復合材料力學行為數(shù)值模擬的本質(zhì)，是將有限元計算技術(shù)與細觀力學和材料學相結(jié)合，根據(jù)復合材料具體細觀結(jié)構(gòu)，建立代表性細觀計算單元、界面條件和邊界條件，求解受載下單元中具有夾雜的邊值問題，從而建立起細觀局部場量間的關(guān)系，最終獲得復合材料的宏觀力學響應[17]。</p><

127、;p><b>　　2.3有限元軟件</b></p><p>　　早在20世紀50年代末、60年代初國際上就投入了大量的人力和物力開發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十種版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強的有限元分析系統(tǒng)。有限元分析系統(tǒng)發(fā)展

128、至今，世界各地發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。而最流行的有限元分析軟件有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個。其中ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽，它在計算機資源的利用，用戶界面

129、開發(fā)等方面也做出了較大的貢獻。相比較其他軟件,ANSYS進入中國比較早，所以在國內(nèi)知名度高且應用更加廣泛。</p><p>　　2.3.1 ANSYS軟件概述</p><p>　　ANSYS公司是由美國著名力學專家、美國匹茲堡大學力學系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)立并發(fā)展起來的，總部設在美國賓西法尼亞州的匹茲堡，是目前世界CAE行業(yè)中最大的公司。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)力

130、學、熱學、流體力學、電磁學、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、船舶重工、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)領(lǐng)域及科學研究。該軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行，從PC機到工作站直至巨型計算機，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算，如：熱-結(jié)構(gòu)耦

131、合、磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱耦合，在PC機上生成的模型同樣可運行與巨型機上，這樣就確保了ANSYS對多領(lǐng)域多變工程問題的求解[20]。</p><p>　　2.3.2 ANSYS軟件工作界面</p><p>　　ANSYS工作界面主要由ANSYS輸出窗口和ANSYS主窗口組成。ANSYS主窗口主要由ANSYS狀態(tài)欄、命令輸入窗口、ANSYS圖形顯示窗口、ANSYS工具欄、圖形顯示

132、控制按鈕集、ANSYS實用菜單和ANSYS主菜單組成，如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 ANSYS 10.0 主窗口界面及相應部分的劃分</p><p>　　2.3.3 ANSYS的主要分析步驟</p><p>　　軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。</p><p>　?。?）ANSYS的前處理模塊主要

133、有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。</p><p><b>　?、賹嶓w建模</b></p><p>　　ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下

134、還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移

135、動、拷貝和刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點，然后依次是相關(guān)的線、面、體。</p><p><b>　?、诰W(wǎng)格劃分</b></p><p>　　ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維

136、網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達

137、到用戶定義的求解次數(shù)。</p><p><b>　?。?）分析計算模塊</b></p><p>　　包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；</p><p><b>　?。?）后處理模塊

138、</b></p><p>　　可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。</p><p>　　3 復合材料殘余應力的有限元分析</p><p><b>　　3.1前言</b></p>&l

139、t;p>　　殘余應力是金屬基復合材料的本質(zhì)特征之一，對復合材料的很多性能都有很大的影響，許多材料研究學家都致力于研究用各種方法來降低復合材料中的殘余應力，以得到更好性能的復合材料，但是都無法徹底消除殘余應力，因此，對復合材料殘余應力的研究是很有必要的。</p><p>　　本章將利用 10.0軟件對SiC/Ti-6Al-4V復合材料的殘余應力進行數(shù)值模擬，通過建立二維平面應變有限元模型，比較不同纖維體積分數(shù)

140、和排布方式下，連續(xù)SiC纖維增強復合材料周向及徑向殘余應力的變化，并分析殘余應力大小對復合材料力學性能的一些影響。為復合材料制備和力學性能分析提供一定的理論指導。</p><p><b>　　3.2材料性能</b></p><p>　　本次模擬所選用的材料為連續(xù)SiC纖維和 Ti-6Al-4V基體組成的復合材料，材料性能參數(shù)詳見表3.1和表3.2 。纖維看作線彈性材料