颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状/邵军超等 ·111 颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状 邵军超,刘越 (中国科学院金属研究所,沈阳110016) 摘要从细观尺度和宏观尺度两个方面分析总结了国内外颗粒增强金属基复合材料有限元模拟研究现状。介 绍了基于几何建模的周期性单胞模型、基于实际微观结构的有限元模型及宏观尺度模拟几个方面的内容,并对目前该 领域存在的问题及今后的研究方向进行了分析总结 关键词颗粒增强金属基复合材料有限元力学行为 a Revie w of finite element simulations on the mec hanical be havior for Particles Reinforced Metal Matrix Composites SHAO Junchao. L IU Yue ( Institute of Metal Research, Chinese Academy of Science, Shenyang 110016) Abstract A review of finite element simulation of particles reinforced metal matrix composites has been sum- marized from meso-scale and macro- scale in this article. The contents of geometry-based periodic unit cell models, mi- crostructure- based models and macro-scale simulation are int roduced and the problems and investigation prospects are Key words particles reinforced, MMCs, finite element, mechanical behavior 0前言 为进行模拟研究1-7。这个比组分材料尺寸大而比宏观材料尺 寸小的体积单元,在外载荷作用下,代表体积单元内的场物理量 颗粒增强金属基复合材料作为一种具有优越力学性能并具的平均值就等于复合材料内的体积平均值。因此,建立 有较好二次加工性能的先进结构材料,已经引起人们的广泛关个能够正确描述复合材料细观结构模型,依此来研究在外载荷 注,在航空航天、武器系统及汽车制造等领域得到应用口。为了作用下复合材料内部的场物理量,是目前被普遍采用的一种方 能够更好地研究颗粒增强金属基复合材料的力学行为,有效地法 指导该材料的加工变形工艺制定及模具设计,从20世纪80年1.1基于几何建模的周期性单胞模型 代起,国外就开始对颗粒增强金属基复合材料的微观结构力学 在代表性体积单元描述复合材料细观结构的模型中,最有 行为进行了计算机有限元模拟12-7。近几年国内有关高校也相 代表性和被普遍应用的就是周期性单胞模型。该模型理想化了 继展开了对短纤维或颗粒增强金属基复合材料力学行为的有限细观结构,假设增强体颗粒均匀分布在合金基体中,整个材料是 元模拟研究l~l1。 从目前国内外的研究报道看,有关颗粒增强金属基复合材由这样的单胞周期性排列组成。虽然根据研究目的不同国内外 料力学行为的有限元模拟主要分为细观尺度的理论分析和宏观学者建立了许多不同的单胞模型,但究其根本主要是在单颗粒 尺度的数值计算两种方法。本文主要对目前国内外有关该问题增轴对称单胞模型和多颗粒随机分布三维立方单胞模型这两 的研究方法特点及研究进展情况进行简要的综述,并对存在的种模型上进行修整。 问题及今后的研究方向进行分析总结。 1.1.1单颗粒增强轴对称单胞模型 该模型假设单胞中只含有一个位于单胞对称轴中心位置的 1细观尺度理论分析的有限元模拟 增强体颗粒;根据周期性整齐排列条件,单胞的形状为六棱柱 由于复合材料中增强体颗粒与整个复合材料器件相比非常形。为了分析方便,在分析时简化单胞为圆柱体;颗粒的几何形 小(一般几到十几微米),而且形态不规则,分布又呈现随机性,状一般为球体、椭球体或圆柱体;增强体的体积分数用颗粒占单 因此到目前为止,对颗粒增强金属基复合材料力学行为的研究胞的体积百分比来表示;根据轴对称性条件,可将三维模型转化 还主要停留在细观力学模拟的层面上。就目前的研究报道看,为平面问题分析,如图1所示12 对该问题的研究通常是将常规的有限元法应用于复合材料细观 除了界面脱粘等失效分析外,一般假设颗粒和基体的界面 结构的代表性体积单元上,并对该单元在载荷作用下的力学行结合是理想的,在变形过程中颗粒是完好无损的。在计算模型 ·国家“973”重点基础研究发展计划项目(2006B605306) 邵军超:男,1981年生,硕士生,研究方向为颗粒增强金属基复合材料热变形模拟刘越:男,通讯作者,19600年生,研究方向为金 属基复合材料、金属陶瓷材料Tel:024-23971749Email:yliu@imr.ac.cn 21994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net3 国家“973”重点基础研究发展计划项目(2006CB605306) 邵军超 :男 ,1981 年生 ,硕士生 ,研究方向为颗粒增强金属基复合材料热变形模拟 刘越 :男 ,通讯作者 ,1960 年生 ,研究方向为金 属基复合材料、金属陶瓷材料 Tel :024223971749 E2mail :yliu @imr. ac. cn 颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状3 邵军超 ,刘 越 (中国科学院金属研究所 , 沈阳 110016) 摘要 从细观尺度和宏观尺度两个方面分析总结了国内外颗粒增强金属基复合材料有限元模拟研究现状。介 绍了基于几何建模的周期性单胞模型、基于实际微观结构的有限元模型及宏观尺度模拟几个方面的内容 ,并对目前该 领域存在的问题及今后的研究方向进行了分析总结。 关键词 颗粒增强 金属基复合材料 有限元 力学行为 A Review of Finite Element Simulations on the Mechanical Behavior for Particles Reinforced Metal Matrix Composites SHAO J unchao , L IU Yue (Institute of Metal Research , Chinese Academy of Science , Shenyang 110016) Abstract A review of finite element simulation of particles reinforced metal matrix composites has been sum2 marized from meso2scale and macro2scale in this article. The contents of geometry2based periodic unit cell models , mi2 crostructure2based models and macro2scale simulation are introduced and the problems and investigation prospects are generalized finally. Key words particles reinforced , MMCs , finite element , mechanical behavior 0 前言 颗粒增强金属基复合材料作为一种具有优越力学性能并具 有较好二次加工性能的先进结构材料 ,已经引起人们的广泛关 注 ,在航空航天、武器系统及汽车制造等领域得到应用[1 ] 。为了 能够更好地研究颗粒增强金属基复合材料的力学行为 ,有效地 指导该材料的加工变形工艺制定及模具设计 ,从 20 世纪 80 年 代起 ,国外就开始对颗粒增强金属基复合材料的微观结构力学 行为进行了计算机有限元模拟[2～7 ] 。近几年国内有关高校也相 继展开了对短纤维或颗粒增强金属基复合材料力学行为的有限 元模拟研究[8～11 ] 。 从目前国内外的研究报道看 ,有关颗粒增强金属基复合材 料力学行为的有限元模拟主要分为细观尺度的理论分析和宏观 尺度的数值计算两种方法。本文主要对目前国内外有关该问题 的研究方法、特点及研究进展情况进行简要的综述 ,并对存在的 问题及今后的研究方向进行分析总结。 1 细观尺度理论分析的有限元模拟 由于复合材料中增强体颗粒与整个复合材料器件相比非常 小(一般几到十几微米) ,而且形态不规则 ,分布又呈现随机性 , 因此到目前为止 ,对颗粒增强金属基复合材料力学行为的研究 还主要停留在细观力学模拟的层面上。就目前的研究报道看 , 对该问题的研究通常是将常规的有限元法应用于复合材料细观 结构的代表性体积单元上 ,并对该单元在载荷作用下的力学行 为进行模拟研究[2～7 ] 。这个比组分材料尺寸大而比宏观材料尺 寸小的体积单元 ,在外载荷作用下 ,代表体积单元内的场物理量 的平均值就等于复合材料内的体积平均值[3 ,4 ] 。因此 ,建立一 个能够正确描述复合材料细观结构模型 ,依此来研究在外载荷 作用下复合材料内部的场物理量 ,是目前被普遍采用的一种方 法。 1. 1 基于几何建模的周期性单胞模型 在代表性体积单元描述复合材料细观结构的模型中 ,最有 代表性和被普遍应用的就是周期性单胞模型。该模型理想化了 细观结构 ,假设增强体颗粒均匀分布在合金基体中 ,整个材料是 由这样的单胞周期性排列组成。虽然根据研究目的不同国内外 学者建立了许多不同的单胞模型 ,但究其根本主要是在单颗粒 增强轴对称单胞模型和多颗粒随机分布三维立方单胞模型这两 种模型上进行修整[4～14 ] 。 1. 1. 1 单颗粒增强轴对称单胞模型 该模型假设单胞中只含有一个位于单胞对称轴中心位置的 增强体颗粒 ;根据周期性整齐排列条件 ,单胞的形状为六棱柱 形。为了分析方便 ,在分析时简化单胞为圆柱体 ;颗粒的几何形 状一般为球体、椭球体或圆柱体 ;增强体的体积分数用颗粒占单 胞的体积百分比来表示 ;根据轴对称性条件 ,可将三维模型转化 为平面问题分析 ,如图 1 所示[2 ,10 ,12 ,14 ] 。 除了界面脱粘等失效分析外 ,一般假设颗粒和基体的界面 结合是理想的 ,在变形过程中颗粒是完好无损的。在计算模型 颗粒增强金属基复合材料力学行为有限元模拟研究现状/ 邵军超等 ·111 ·