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碳纳米管增强镁基复合材料力学性能有限元分析

杨忠华  
【摘要】:镁基复合材料是密度最小的金属基复合材料之一,具有很高的比强度、比刚度,自二十世纪八十年代以来,成为金属基复合材料领域的研究热点之一,己开始应用于航空、汽车以及军工领域。碳纳米管(CNT)具有优异的力学性能,其刚度是钢6倍,抗拉强度是钢的100倍,而密度仅是钢的1/6,承受很大的弯曲变形和扭转变形仍能保持弹性。因此,研究碳纳米管增强镁基复合材料的力学性能具有十分重要的现实意义和巨大的经济价值。 本文基于碳纳米管增强镁基复合材料的有限元模型,开展了若干关键力学问题研究,主要包括以下内容: (1)建立含有界面层的碳纳米管增强镁基复合材料分析模型,考察界面强弱、增强体长径比、界面厚度等参数及碳纳米管半球形端帽对复合材料各部分应力分布的影响。研究发现,较强的弱界面、较高的长径比、半球形端帽对改善复合材料的力学性能有益。这些结果拓展了前人的文献报道,较完整地分析了各参数对复合材料应力分布的影响。 (2)利用空间轴对称关系将含有裂纹的碳纳米管增强镁基复合材料的三维实体简化为二维分析模型,求解裂纹尖端应力场大小、影响范围及应力集中程度等。研究发现,裂纹尖端发生应力集中现象,但影响范围较小;随着裂纹的开裂,应力强度因子的大小和变化速率不断提高。这些分析为复合材料的加工与制备工艺的完善提供理论依据。 (3)将Material Studio软件计算得到的材料各向异性参数与细观分析模型相结合,探讨复合材料的细观力学行为。通过复合材料的应力-应变分析,证明材料参数计算的准确性,分析方法的可行性。并进一步分析长径比对碳纳米管增强镁基复合材料细观力学行为的影响,为研究复合材料的微观力学性能奠定了基础。


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