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含界面效应纳米多孔材料的弹塑性力学性能研究

周靖博  
【摘要】:多年来,纳米多孔材料的研发、制备及性能一直备受国内外学者的关注。在纳米尺度下的界面效应对纳米多孔材料的宏观力学性能具有重要的影响。本论文采用细观力学与有限元数值模拟相结合的方法,重点研究了含界面效应的纳米多孔材料的宏细观弹塑性力学行为,分析了界面残余应力、孔径尺寸以及孔隙率对纳米多孔材料的弹塑性力学性能的影响,同时也研究了界面效应对纳米多孔材料初始屈服面的影响。本文主要研究内容及结果如下:(1)本文利用场扰动理论结合Mori-Tanaka方法和Hill定理,给出了二阶应力矩细观力学模型,研究了含界面效应的纳米多孔材料弹塑性力学性能。针对含球形孔洞的纳米多孔材料,考虑纳米球形孔洞的界面效应,运用细观力学模型分析了纳米球形孔洞的界面残余应力、孔隙率和孔径尺寸对材料有效弹性参数的影响。研究结果表明界面残余应力,孔隙率和孔径尺寸对纳米多孔材料的弹性模量和屈服强度具有明显的影响,且纳米孔洞特征尺寸越小,影响越明显,并且首次发现了界面弹性会使纳米多孔材料发生软化现象。(2)基于纳米多孔材料界面效应的本构,将无厚度的数学界面等效替换为有厚度的界面相模型。开发了UMAT子程序,采用有限元方法,利用所开发的子程序结合ABAQUS软件对含单个孔洞的纳米多孔材料进行数值计算,得到了不同条件下纳米多孔材料的弹塑性应力-应变曲线,当纳米孔的孔径尺寸越小时,界面效应越明显,界面残余应力、孔隙率以及孔径尺寸对纳米多孔材料的弹塑性力学性能的影响就越大,验证了细观力学模型的准确有效性。(3)针对闭孔多孔铝,采用所发展的模型对考虑界面效应的纳米多孔铝进行分析,通过细观力学方法研究含不同球形孔洞的闭孔型纳米多孔材料的弹塑性力学性能,着重考虑了界面残余应力、孔隙率、孔径尺寸对纳米多孔材料宏观弹塑性力学行为的影响。研究发现,当不同球形孔洞的尺寸比保持一定且相差不大时,界面残余应力、孔隙率和孔径尺寸对纳米多孔材料的弹性模量以及屈服强度的影响规律与含单一孔的情况相差不大,当不同球形孔洞的尺寸比不同且相差较大时,界面残余应力、孔隙率和孔径尺寸对纳米多孔材料的弹性模量和屈服强度的影响则与含单一孔的情况差别明显。研究结果为理解界面残余应力和孔洞微结构对纳米多孔材料的宏细观弹塑性力学行为的影响机制以及对该材料的结构设计和性能评价提供了理论依据和参考。


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