金屬基復合材料性能預測及微結構拓撲優(yōu)化設計.pdf

1、金屬基復合材料是近年來迅速發(fā)展起來的一種高技術新型工程材料,以其優(yōu)越的性能受到國內(nèi)外的高度重視。SiC顆粒增強鋁基復合材料是目前復合材料中最引人注目的體系之一,不論是在理論上還是在實驗上均是理想的復合材料研究對象。本文通過仿真軟件MATLAB建立了復合材料顆粒隨機分布三維單胞模型,并將均勻化理論與有限元方法相結合,預測了金屬基復合材料的宏觀性能。在均勻化理論的基礎上對周期性復合材料微結構進行拓撲優(yōu)化,并編寫了程序,從而為優(yōu)化和設計材料性

2、能作指導。
　　本文將基于小參數(shù)漸近展開的均勻化理論和有限元法相結合,推導出細觀體系下求解等效彈性模量的表達式。建立了復合材料顆粒隨機分布三維單胞模型,并通過仿真軟件MATLAB編寫了程序。以SiC顆粒增強鋁基復合材料為例,對其復合材料宏觀有效彈性常數(shù)進行了數(shù)值計算,并與早期方法得到的結果進行比較。計算結果表明均勻化方法在預測顆粒隨機分布復合材料有效彈性常數(shù)方面是可行的。并預測了顆粒的形狀、性能、尺寸以及顆粒的含量對顆料增強金屬基

3、復合材料的有效彈性常數(shù)的影響。
　　用有限元方法模擬了隨機分布和均勻分布的金屬基復合材料的拉伸試驗,并對模擬試驗結果和預測結果進行了對比分析,模擬得到的有效彈性常數(shù)與多尺度均勻化理論預測的結果是一致的,說明本文提供的模擬試驗方法可以作為復合材料有效彈性常數(shù)的一種驗證手段。
　　基于均勻化理論建立了空心鋁基體材料微結構拓撲優(yōu)化模型。采用變密度法作為材料的插值模型,以最小柔度為目標函數(shù),以準則法作為優(yōu)化算法,通過ANSYS軟件進