基于纳米压痕计算预测复合材料用高性能纤维的力学性能和实验验证研究

高性能纤维作为复合材料的增强相已广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶和交通等领域。为了对飞机、航空母舰和汽车中使用的高性能纤维增强复合材料结构进行优化设计并预测结构的稳定性、可靠性、安全性和使用寿命等问题，就需要知道高性能纤维精确的力学性能。本项目拟采用有限元法和自动优化方法数值模拟再现纳米压痕实验过程，计算预测复合材料中使用的高性能纤维的弹性模量、硬度、屈服应力和应变硬化特性、断裂韧性、储能模量和损耗模量、活化能和应力指数等性能，拟采用纳米压痕仪等仪器做实验和计算结果进行对比分析以验证有限元法计算预测的可靠性，以改进商业化纳米压痕仪中使用的配套软件中的数据分析程序，给复合材料结构优化设计提供高性能纤维精确的力学性能。

对纳米压入半无限平面、球体和纤维的径向进行了有限元仿真。对于Berkovich压头压入半无限平面的情况，不同压入深度下的所有加载曲线都沿着同一条轨迹，载荷和加载位移之间具有平方关系，可用某一压入深度的加载和卸载曲线计算得到不同压入深度下的加载和卸载曲线，有限元计算得到的修正因子与Hay、Bolshakov和Pharr方法计算得到的修正因子的值相等。用Oliver-Pharr方法计算出来的球体的弹性模量随压入深度和边界条件变化，因此Oliver-Pharr方法不适合用来计算球体的弹性模量。有限元模拟可以很好的预测Berkovich压头压入玻璃纤维的径向后压头尖端周围产生的永久变形。