金属基复合材料横向力学性能.docx
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金属基复合材料横向力学性能
毕业论文
金属基复合材料横向力学性能
(三)
学生姓名:
学号:
机械工程系
系部:
专业:
指导教师:
二零一一年六月
毕业论文诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文,是本人在论文指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
论文由本人独立完成,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全了解本声明的法律结果由本人承担。
毕业论文作者:
刘红娟
签名:
日期:
2011年06月13日
毕业论文任务书
设计(论文)题目:
金属基复合材料横向力学性能分析(三)
系部:
机械工程系专业:
材料成型与控制学号:
0720182-33
学生:
刘红娟指导教师(含职称):
娄菊红(讲师)
专业负责人:
赵跃文
1.设计(论文)的主要任务及目标
本毕业设计的任务及要求是:
用ANSYS建立一个简化的二维有限元模型来代替复合材料纤维和基体。
本毕业论文的研究内容是关于SiC纤维增强的钛基复合材料横向力学性能的分析,通过建立有限元模型,给模型施加横向力载荷,进而分析结果。
采用有限元析软件中的四边形八节点结构单元,将基体视为双线性随动强化弹塑性材料,逐一分析基体材料性能的变化对复合材料横向力学能的影响。
2.设计(论文)的基本要求和内容
(1)研究内容:
本课题将选用ANSYS程序,对复合材料横向力学性能进行有限元分析。
在模拟的过程中逐一考虑以下各因素对横向力学性能的影响。
基体性能参数因素,杨氏弹性模量,泊松比,屈服强度和热膨胀系数的变化对横向力学性能的影响。
(2)目的主要是:
通过比较钛合金基体性能参数的变化对横向力学性能的影响,为复合材料的制备和力学性能分析提供一定的理论指导。
3.主要参考文献
1)ThomasMP,WinstoneMR.Transversetensilebehaviouroffiberreinforced
titaniummetalmatrixcomposites.JMaterSci1998;33:
5499–508.
2)LouJuhong.EffectoffibervolumefractionontransversetensilepropertiesofSiC/Ti-6Al-4Vcomposites.RareMetalMaterialandEngineering,2011
3)J.H.Lou.TheanalysisontransversetensilebehaviorofSiC/Ti-6Al-4Vcompositesbyfiniteelementmethod,MaterialsandDesign,2010,31:
3949-53
4)M.M.Aghdam.Finiteelementmicromechanicalmodellingofyieldandcollapsebehaviourofmetalmatrixcomposites.JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids.2000,48:
499-528
5)W.Ding.Effectsoffiberinter-plydistanceonthetransversetensilebehavioroftitaniummatrixcomposites.Scriptamater.2001,44:
443–448
4.进度安排
设计(论文)各阶段名称
起止日期
1
广泛阅读相关中英文文献
2011.3.1至2011.3.20
2
完成开题报告
2011.3.21至2011.3.31
3
学习ANSYS软件
2011.4.1至2011.4.15
4
分析计算
2011.4.16至2011.5.15
5
完成毕业论文,准备答辩
2011.5.16至2011.6.10
注:
一式4份,系部、指导教师各1份、学生2份:
[毕业设计(论文)]及答辩评分表各一份
基体材料性能对复合材料横向力性能的影响
摘要:
采用有限元数值模拟技术,对复合材料的横向力学性能进行数值模拟,
重点分析基体材料性能(弹性模量、热胀系数、屈服强度)对横向力学性能的影响。
结果表明,热膨胀系数的变化对复合材料横向性能影响最大,其次是弹性模量,屈服强度的变化几乎对复合材料性能没有影响。
研究结果为SiC纤维增强Ti基复合材料的基体的选择提供了提供了一定的理论依据。
关键词:
基体材料性能,钛基复合材料,横向性能,有限元分析。
Thematrixmaterialperformanceofthecompositematerialmechanicspropertiesofhorizontal
ABSTRACT Usingthefiniteelementnumericalsimulationofcompositematerials,technologyoflateralmechanicalpropertiesCan,anumericalsimulationanalysisofkeysubstratematerialperformance(elasticmodulus,thermalexpansioncoefficient,yieldstrength)tothemechanicspropertiesofhorizontal.Theresultsshowedthatthechangeofthethermalexpansioncoefficientsofcompositematerialtransverseimpactonperformancethebiggest,followedbyelasticmodulus,yieldstrengthchangesofcompositematerialperformancealmosthavenoeffect.TheresultsforSiCfiberreinforcedTimatrixcompositesmatrixofthechoicetoprovidethetheorybasistoprovidesome.
KEYWORDS Matrixmaterialperformance,titaniummatrixcomposites,transverseperformance,finiteelementanalysis.
摘要................................................................1
绪论...............................................................1
第一章钛合金和钛基复合材料........................................2
1 航空用钛合金结构材料.........................................2
1.1航空用钛合金的种类.......................................2
1.2 钛合金的应用及发展.......................................3
2钛基复合材料..................................................4
3 钛基复合材料的横向力学性能...................................4
3.1复合材料横向性能的计算与测量法...........................5
4有限元数值模拟.............................................,..5
4.1数值模拟技术的工程应用...................................5
4.2ANSYS程序概述..........................................7
5本课题主要内容及目的..........................................8
第二章有限单元法基础.............................................9
1有限单元法基本概念...........................................9
2 ANSYS的有限元法..........................................10
3横向力学性能的有限单元法...................................11
第三章复合材料横向力学性能数值模拟...............................12
1前言..........................................................12
2 复合材料的有限元模拟.........................................12
2.1材料的性能参数.............................................12
2.2有限元模拟.................................................13
3基体材料性能对横向性能的影响..................................17
3.1热胀系数的变化及影响......................................17
3.2屈服强度的变化及影响......................................19
3.3弹性模量的变化及影响......................................21
4 本章总结.....................................................23
致谢..............................................................25
参考文献...........................................................26
绪论
飞机、火箭的机翼和机身及导弹的壳体、尾翼中的复合材料大多以纤维为增强体,金属为基体的复合材料。
作为增强体的纤维有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐热性好的纤维,作为基体的金属较多的为铝、镁、钛等密度小的轻金属。
这类材料的特点是耐高温、强度高、导电性和导热性好,不吸湿和不易老化。
当前最受航空界重视的MMC是连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料,其次是碳化硅增强的钛铝金属间化合物基复合材料。
对碳化硅增强铝基复合材料的兴趣较淡,因为短纤维增强铝合金成本虽低,但性能不高;颗粒增强钛基复合材料虽然有高强度,但通常密度比较低,连续碳化硅纤维增强复合材料具有比钛合金跟高的比强度和比模量,比钛合金更耐热,可在高于600℃下使用,比强度和比模量、耐温性和高温结构稳定性都优于传统金属材料,特别适合于制造超高音速运输飞机和航空航天飞机的蒙皮以及航空发动等部件[1-4]
美国和欧洲一些国家的政府机构和发动机制造商正在抓紧发展MMC技术,以提高涡轮发动机的性能、满足超音速运输机和NASP(国家航空航天飞机)的需要[2-3]。
1994年8月,美国制造商、空军和高级研究计划局启动了为期5年的计划,要在本世纪末为涡轮发动机建立一个买得起的MMC工业基地。
1993年9月欧洲制造商和各国国防部联合开始了一个4年计划,以表征MMC和促进MMC技术工业化。
美国的计划要求工业界发展大量制造碳化硅连续纤维增强Ti-6-4钛基复合材料的低成本工艺,力争开发和验证民机发动机的MMC部件。
欧洲的计划除制造碳化硅连续纤维增强普通钛合金外,还要研究耐温更高的钛铝化合物基复合材料[5]。
航天结构材料是航天材料的重要组成部分,它主要包括高性能金属材料和先进复合材料。
目前国外航天结构材料发展迅速,竞争十分激烈,高性能金属材料面临先进复合材料的严峻挑战。
第一章钛合金和钛基复合材料
1.航空用钛合金结构材料
大多数钛合金的密度约为4.5g/cm³,介于铝和钢之间,经过现代热处理,钛合金的强度极限可达1500MPa以上,比强度约为33。
对于钢来说,要达到高得比强度,则需具有2550-2650MPa的强度极限,制造和在结构件中使用这样的钢,工艺上是十分困难的,高强度不锈钢可以进行复杂的热处理,但在很多情况下仍会产生锈蚀,铝合金密度虽低,但比强度不如钛合金,而且温度越高,钛合金比铝合金的优越性越显著[6-10],钛合金的上述优点使其适合于飞机和发动机设计的需要。
1.1航空用钛合金的种类
钛具有两种同素异晶体,分别以α和β来表示。
钛的同素异晶转变温度为882.5℃,其低温晶体α为密排六方点阵,在882.5℃以上,未稳定的β晶体为体心立方点阵。
根据钛合金亚稳状态相组成情况可将其化分为以下六种类型。
α型钛合金,近α型钛合金,α+β钛合金,近β型钛合金,β型钛合金和稳定β钛合金。
航空用钛合金按用途又可分为高温钛合金,结构钛合金,铸造钛合金等。
其中高温钛合金是现代航空发动机的关键材料之一,是钛合金的主要发展前缘。
它主要用作飞机发动机的压气机机盘和叶片、机匣,以减轻发动机的质量,提高推重比。
发动机对高温钛合金的要求非常苛刻,它要求材料具有室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性的良好匹配。
最先进最具代表性的几种高温钛合金有1976年推出的IMI829,1984年推出的IMI834,美国1988年推出的Ti-1100和前苏联1974年推出的BT28。
结构钛合金主要是为适应飞机机身结构而研制的,它的使用温度一般在350℃以下,强度水平依合金类型及热处理状态不同而有很大差异(650-1500MPa)。
这类合金除对力学性能有较高要求外,工艺性能(如冷成形性、可焊性、超塑性等)也是其重要指标。
以钛材料替代铝或钢做机体结构件,其目的是为减重,并增强以及解决某些零件的腐蚀问题。
飞机的速度越快,使用结构钛合金的比例越大。
据统计,国外机体钛钦量占机身总重的比例在民航机中约为7%,在军用飞机上占20%~35%。
在国外,实用结构钛合金主要有Ti-6AI-4V(中强锻件和板材)、Ti-3A1-2.5V(低强管材)以及β
钛合金。
Ti-6AI-4V虽有较好的综合性能,但其冷加工性能差,强度、塑性、韧性及淬透性偏低。
为此,美国开发了一系列新型结构钛合金,近年来得到较快发展的β钛合金是Ti-lOV-2Fe-3A和Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn,这两种钛合金因具有结构效益、可靠性以及良好的加工性能而受到航空界的重视[7]。
Ti-lOV-2Fe-3AI适于作航空锻件,目前已在波音757,737,A320,F14,F18,BIB上得到应用。
Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn合金冷加工性冷成形性优异,适于制成薄板及带材,也可用于锻件、棒材以及管材,目前该合金己用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。
此外,美国还研制了高强度、高弹性模量的钛合金Ti-62222S以及抗高温氧化的高强日钛合金β-21S,后者可作为纤维增强钛基复合材料的基体。
1.2钛合金的应用及发展
由于钛合金的一系列优点,在60年代初期,在一些军用飞机上己开始使用钛合金制造襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件。
对于高速战斗机,由于高速和高机动性,要求飞机结构尽可能轻,同时还要有耐高温能力,实践证明,钛合金是最适宜的材料,钛合金和复合材料的应用水平已是衡量飞机先进性的重要标志之一。
F-22是举世公认的第四代战斗机的代表作,也是美国借以保持21世纪空中优势的一张王牌,其使用材料中41%为钛合金。
另外,钛合金不仅应用于军用飞机,在民用飞机以及船舶、汽车工业、建筑业等领域都有广泛的应用。
钛合金今后的主要发展方向有以下几个方面:
[11]
高性能化,即研制耐热温度、比强度、比模量更高的合金和耐蚀更好的合金;
多功能化,即发展各种特殊功能的钛合金,如高阻尼钛合金、低膨胀钛合金、恒电阻和低电阻率钛合金、抗电解钝化钛合金和低模量生物医用钛合金等;
低成本化,即发展不含或少含贵重金属元素,可利用低价母合金原料的钛合金及能充分利用残料的钛合金和易加工成形、易切削加工的钛合金;
高加工率,,即发展冷床炉精炼,包括电子束和等离子冷床炉精炼、电渣熔炼、激光成形以及连铸连轧工艺。
连铸连轧可以降低能耗,提高生产效率和产品成材率,改善产品均匀性。
2.钛基复合材料
与传统的钛合金相比,SiC长纤维增强Ti基复合材料(TMCs)具有更高的比强度、比刚度、使用温度及疲劳和蠕变性能好等优异特点,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[1]。
例如德国研制的SCS-6/IM1834复合材料的抗拉强度高达2200MPa,刚度达220GPa,而且具有极为优异的热稳定性,700℃热暴露2000小时后,力学性能不降低.这些优异的性能使得TMCs在航空发动机上有广阔的应用前景[15.-17]。
用它制作叶片、机匣、间隔件、框架支撑、轴、整体盘、叶环等航空零部件,可大幅度减轻航空发动机的重量。
钛是一个的化学性质非常活泼的元素,极易与增强体SiC纤维产生化学反应,导致TMCs的力学性能恶化。
为了降低制备温度,减小化学反应,制备TMCs及其构件只能用固态法,而通常制备金属基复合材料的液态法不能使用。
目前国际上制备TMCs及其构件的主要方法有:
箔一纤维(foil-fiber)法
浆料带铸造(slurrytapecasting)法;
等离子喷涂lplasmasplay)法及纤维涂层Cmatrixcoatedfiber)法;
纤维涂层法.。
由于SiC纤维与基体钛合金热胀系数存在较大差异,在高温制备或高温使用后冷却过程中,会产生很大的残余应力,它们对Ti基复合材料的力学性能造成一定的影响。
3.钛基复合材料的横向力学性能
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、刚度和高的抗蠕变性能,可以替代传统的钛合金,广泛应用于航空航天工业和其他高科技领域。
如用于航空发动机压气机叶片、叶环等零部件,被认为是用于新一代超音速涡轮发动机的候选材料,然而不幸的是TMCs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。
但这些零部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纵向性能未达到设计指标之前,已经提前造成材料的失效断裂[12-14]。
因此,如何提高TMCs的横向力学行为已得到广泛关注。
3.1复合材料横向力学性能的计算与测量法
传统测量复合材料的横向性能多采用实验法,然而测试一直存在困难,测试结果偏差也较大。
采用X射线衍射法只能测材料表面10μm左右的深度,测试结果的随机性较大;中子衍射法测量,虽然穿透厚度增加,但同样测试结果的随机性较大,而且测量成本较高;采用Raman光谱测量,需要剥离基体钛合金,是材料的应力状态发生改变[5-10]。
我们现在选择有限元法计算复合材料的横向力学,借助计算机的运算能力,形象直观的研究材料的横向性能。
有限元法具有强大的非线性分析和用户自定义子程序的能力。
分析与CAD系统的集成应用式设计水平发生了质的飞跃。
在工程实践中,有限元法已应用于大量的工程问题的分析,既包括结构问题,也包括非结构问题。
其优点主要表现在以下几个方面:
可以很容易的模拟不规则形状的结构;
可以毫无困难的处理一般的载荷问题;
因为单元方程是单个的建立,因此可以模拟有几种不同材料构成的物体;
可以处理数量不受限制的的和各种类型的边界条件;
单元尺寸大小可以变化,必要时可以使用小单元;
改变有限元模型比较容易,花费不大;
可包括动态动作;
可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。
4.有限元数值模拟技术
4.1数值模拟技术的工程应用
在科学技术领域内,对于许多力学问题和物理问题,人们已经的得到了它们应遵循的基本方程(常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件。
但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单,且几何形状相当规则的问题。
对于大多数问题,由于方程的某些特征的非线性性质,或由于求解区域的几何形状比较复杂,则不能得到解析的答案,这类问题的解决途径通常有两种途径。
一是引入简化假设,将方程和几何边界简化为能够处理的情况,从而得到问题在简化状态下的解答。
但是这种方法只是在有限的情况下是可行的,因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。
因此人们多年来寻找和发展了另一种求解途径和方法—数值解法,特别是近三十年来。
随着计算机的飞速发展和广泛应用,数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。
而有限元法的出现,是数值分析方法研究领域内的重大突破性进展。
早20世纪在50年代末、60年代初国际上就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。
该系统发展至今己有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。
从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS,ADINA,ANSYS,BERSAFE,BOSOR,COSMOS,ELAS,MARC和STARDYNE等公司的产品。
现在用于场藕合分析的有限元工程软件很多,比较好的有MSC/PATRANMSN/MARC和ANSYS软件。
MSC/MARC是处理高度组合非线性结构,热及其它物理场和祸合场问题的高级有限元软件。
MSC/MARC具有超强的单元技术和网格自适应及重划分能力,高效可靠的处理高度非线性问题能力和基于求解器的极大开放性,被广泛应用于产品加工过程仿真,性能仿真和优化设计[22]。
有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在一起的单元组合体。
由于单元能按不同的联接方式进行组合,且单元本身又可以有不同的形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。
有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解区域上待求的未知场函数,单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。
这样一来,一个问题的有限元分析中,未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量(即自由度),从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
一经求解出这些未知量,就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似
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